3.1 · Forces and their effects

כוחות והשפעותיהם

כל דחיפה, משיכה והחזקה בעולם היא כוח — והנושא הראשון של OxfordAQA מארגן אותם: אינטראקציות מגע ואי-מגע, סקאלרים מול וקטורים, שלושת חוקי ניוטון, בטיחות ברכבים, ורעיונות ההרחבה P של תנע, מהירות סופית, מרכז מסה ומומנטים.

פיזיקה אוקספורדAQA International GCSE 9203, נושא 3.1 (גרסה 5.1, מבחנים מ2018 ומעלה). ניסוחים המסומנים ב-(P) הם רק לבחון 2; פרטי הבחון נמצאים בתוכנית ההוראה. רכיבי הדוגמה הקיימים בתיק הם 9203-92031 ו9203-92032 — תרגול הדוגמה בחבילה זו מסומן תמיד כך.

כוחות והתفاعלים שלהם

גופים מתאימים דרך כוחות שדה ללא מגע (משיכה, חשמל סטטי, מגנטיות) וכוחות מגע (חיכוך, התנגדות אוויר, מתיחה, כוח תמיכה). חיכוך פועל בין שני משטחים, מעכב תנועה ועשוי לחמם אותם; התנגדות האוויר היא חיכוך עם זורם.

סקלרים הם בעלי גודל בלבד (מרחק, מהירות, זמן); וקטורים מוסיפים כיוון (הזזה, מהירות, תאוצה, כוח, תנע) וניתן לצייר אותם כחצים. משקל הוא כוח המשיכה: $W = m \times g$.

כוחות יכולים לשנות צורה — למתוח, לכופף, לדחס. עיוותים אלסטיים מתאוששים; אי-אלסטיים אינם (P). קפיץ שנמתח מאחסן אנרגיה פוטנציאלית אלסטית, ובמתחת לגבול היחסיות:

מעשה נדרש: לבדוק כוח מול הארכה בקפיץ (לתלות משקולות, לשרטט את הקו, השיפוע = k).

תנועה וחוקי ניוטון

מהירות היא שיפוע גרף מרחק-זמן; מהירות מוסיפה כיוון: $v = s/t$ (שימושי גם למהירויות ממוצעות). תאוצה היא קצב שינוי המהירות: $a = \Delta v/t$ — מתוך שיפוע גרף מהירות-זמן, whose שטח נותן את המרחק שהתקבל. שינוי כיוון במהירות קבועה הוא עדיין תאוצה.

• חוק ראשון של ניוטון: כוח תוצרת אפס → מנוחה נשארת מנוחה, תנועה שומרת את מהירותה.
• חוק שני של ניוטון: $F = m \times a$ בכיוון הכוח התוצרת.
• חוק שלישי של ניוטון: גופים המתאימים מפעילים כוחות שווים והפוכים זה על זה.

תוצרות: כוחות הפוכים או מקבילים מתחברים לאורך קו; שני כוחות קופלאריים מתאחדים באמצעות ציור בקנה מידה (שרטוט בקנה מידה, ראש בזנב).

(P) תנע, בטיחות ומהירות סופית

תנע שמר בנעול סגור — התנגשויות ופיצוצים משתפים סך כולל קבוע. בטיחות ברכב: כריות אוויר, חגורות בטיחות, מוטות התנגשות צדדית, אזורי קריסה, מיטות התנגשות, משטחי שעשועיים מרופדים ומגני אופניים כולם מאריכים את הזמן של ההתנגשות, כך שבאותו שינוי תנע הכוח קטן יותר.

במהירות יציבה הכוח הנוע מדוזן עם כוחות ההתנגדות. מרחק עצירה = זמן תגובה + מרחק בלימה; זמן תגובה גדל עם עייפות, הסחת דעת, סמים ואלכוהול; כוח הבלימה חייב לגדול עם המהירות, ותאוצות שליליות גדולות מחממות את בלמי הרוח. בלימה ממרת את אנרגיית הקינטיקה של הרכב לחימום הבלמים (עבודת חיכוך); מרחק בלימה מתארך בדרכים רטובות או קפואות ובבלמים או צמיגים שחוקים.

גוף הנופל דרך זורם מאיצ עד שההתנגדות שווה למשקלו — מהירות סופית; מצנח们 מגבירים את ההתנגדות כדי להקטין את מהירות הסופית, וסטרמלינינג (צורת כריש, עיצוב רכב) מקטין את ההתנגדות כדי להגביר את המהירות המקסימלית.

(P) מרכז כובד ומומנטים

מרכז הכובד הוא הנקודה בה ניתן לחשוב שהמסה של גוף מרוכזת; גוף תלוי בחופשיות יתייצב כך שמרכז הכובד יהיה מתחת לנקודת התלייה, ומרכז הכובד של גוף סימטרי נמצא על ציר הסימטריה. למצוא אותו בגיליון לא סדיר, תלו אותו משתי נקודות ושרטו קווים אנכיים.

לגוף מאוזן יש שוויון בין המומנטים הכוללים בשעון ובנגד כיוון השעון; מנופים הם מכפלי כוח. אם קו הפעולה של המשקל חוצה מחוץ לבסיס, המומנט הכולל הופך את הגוף (רכבים, צעצועי איזון).

בדוק את עצמך

1. נתנו דוגמה אחת לכל כוח מגע וכוח שאינו מגע.
2. אילו מהאלמנטים הבאים הם וקטורים: מהירות, זזה, זמן, כוח?
3. נסחו את משפט הקפיץ ואת שם הקבוע שלו.
4. נסחו את חוקי ניוטון השלושה במשפט אחד כל אחד.
5. רכב בעל מסה 900 kg מאיץ בקצב 2 m/s². חשבו את הכוח הכולל.
6. ציינו שני גורמים המאריכים את מרחק החשיבה ושניים המאריכים את מרחק ההפרעה.
7. (P) הסבירו כיצד אזור קריסה מגן על הנוסעים, באמצעות F = Δp/t.
8. (P) מדוע מטפס עם מצנח מקבל מהירות סופית נמוכה יותר לאחר פתיחת המצנח?
9. (P) היכן נמצא מרכז הכובד של גוף סימטרי?
10. (P) כוח בעוצמה 250 N פועל במרחק 0.4 m ממנוף. חשבו את המומנט שלו.

תשובות: 1 מגע — חיכוך/מתח/התנגדות אוויר/רגולר; שאינו מגע — כבידה/חשמלי סטטי/מגנטי; 2 זזה וכוח; 3 $F = ke$, קבוע הקפיץ (N/m); 4 ראשון — חוסר כוח כולל פירושו חוסר שינוי במהירות; שני — $F = ma$ בכיוון הכוח הכולל; שלישי — אינטראקציות נותנות כוחות שווים והפוכים; 5 $F = 900 \times 2 = 1800$ N; 6 חשיבה — עייפות, הפרעות, סמים/אלכוהול (כל שניים); הפרעה — כבישים רטבים או קפואים, בלמיים או צמיגים שחוקים (כל שניים); 7 (P) אזור הקריסה מאריך את זמן ההתנגשות; עבור אותו שינוי תנע, $F = \Delta p/t$ קטן יותר, ולכן פחות כוח מגיע לנוסעים; 8 (P) המצנח מגדיל מאוד את ההתנגדות, ולכן ההתנגדות מאזנת את המשקל במהירות נמוכה הרבה יותר; 9 (P) על ציר הסימטריה שלו; 10 (P) $M = 250 \times 0.4 = 100$ N m.