القوة
يُعتبر مفهوم القوة من المفاهيم الأساسية في الفيزياء، حيث يُشير إلى تأثير خارجي يتسبب في تغيير حالة الجسم المادي، سواءً من خلال الدفع أو السحب أو الضغط أو التمدد.
تعريف القوة
تعرف القوة (بالإنجليزية: Force) بأنها تأثير خارجي يُحدث تغييرًا في حالة الحركة لجسم ما، سواء كان في حالة سكون أو حركة. تتمتع القوة بمقدار واتجاه محددين، وتُقاس بوحدة النيوتن (N)، التي سُميت تيمناً بالعالم الفيزيائي إسحاق نيوتن.
أنواع القوة
تتوزع القوى في الطبيعة إلى أربعة أنواع رئيسية كما يلي:
- قوة الجاذبية
تتمثل في القوة الناتجة عن التجاذب بين الأجسام، كفكرة سقوط الأجسام نحو سطح الأرض بفعل قوة الجاذبية، وكذلك حركة الكواكب حول الشمس بسبب القوة الجاذبية. وقد عرّفها إسحاق نيوتن في القرن السابع عشر.
- القوة الكهرومغناطيسية
هي القوة الناتجة عن تفاعلات الشحنات الكهربائية، وتساعد في تفسير سلوك المادة وخصائص الضوء. وقد تم تعريفها من قبل جيمس كليرك ماكسويل في القرن التاسع عشر.
- القوة النووية
- القوة النووية القوية: هذه القوة تحدث بين مكونات الجسيمات الصغيرة؛ مثل البروتونات والنيترونات، وتساهم في ربط هذه العناصر داخل الذرة، وقد تم اكتشافها في القرن العشرين من قبل الفيزيائيين الذين درسوا لبّ الذرة.
- القوة النووية الضعيفة: هي القوة المؤثرة على الإلكترونات، وتعبر عن تفاعلات الانحلال الإشعاعي والتفاعلات النووية في النجوم.
الحركة
تظهر الحركة في مجالات متعددة في الفيزياء، بما في ذلك جسيمات المادة، الإشعاع، الأجسام، والانحناءات. سنناقش فيما يلي أنواع الحركة المختلفة:
تعريف الحركة
تعرف الحركة (بالإنجليزية: Motion) بأنها التغيير في موقع الجسم أو اتجاهه مع مرور الزمن. تتحدد حركة الجسم بناءً على نقطة مرجعية تقاس من خلالها التغير في موضعه.
أنواع الحركة
تُقسم الحركة إلى أربعة أنواع وفقًا لمسار الجسم أو العلاقة بين المسافة والزمن. وهذه الأنواع هي:
- الحركة الخطية
تحدث عندما ينتقل الجسم من موقع إلى آخر خلال فترة زمنية معينة، وقد تكون على مسار مستقيم أو منحني، مثل حركة السيارة على الطرقات وسقوط الثمار من الأشجار.
- الحركة الدائرية
تحدث عندما يدور الجسم حول محوره، مثل دوران الأرض حول نفسها أو دوران المروحة.
- الحركة الدورية
تعود هذه الحركة للتكرار خلال فترات زمنية متساوية، مثل حركة الكرة المرتدة وموجات المياه.
- الحركة المتذبذبة
تحدث عندما يتحرك الجسم ذهابًا وإيابًا حول نقطة معينة، مثل حركة البندول أو الموجات الصوتية.
العلاقة بين القوة والحركة
تتمتع القوة والحركة بعلاقة وطيدة، حيث تُعتبر القوة هي العوامل المحورية لتحريك الأجسام أو إيقافها أو تعزيز أو تقليل سرعتها. فعندما تطبق قوة معينة على جسم ساكن، يطرأ تغيير على موضعه مما يؤدي إلى حركته.
تُعتبر القوة المحصلة هي المؤثر الرئيسي في حركة الجسم. وعندما تتداخل عدة قوى، يُنتج مجموعها قوة تُسمى القوة المحصلة. في حال كانت القوة المحصلة تساوي صفرًا، يبقى الجسم ساكنًا، أما إذا كانت لها قيمة معينة، يتحرك الجسم وفقًا لتلك القيمة، سواء بتسارع أو تباطؤ.
تستطيع القوة التأثير على حركة الجسم بطرق مختلفة، تشمل:
- تسريع الجسم.
- إبطاء حركة الجسم.
- تغيير اتجاه حركة الجسم.
- إيقاف الجسم عن الحركة.
- تغيير شكل أو حجم الجسم.
قوانين نيوتن في القوة والحركة
وضع إسحاق نيوتن ثلاثة قوانين تصف العلاقة بين القوى المؤثرة على الجسم وحركته، وفيما يلي توضيح مفصل لهذه القوانين:
القانون الأول لنيوتن
يعرف أيضًا بقانون القصور الذاتي (بالإنجليزية: The law of inertia)، وينص على:
الجسم الساكن يبقى ساكنًا، والمتحرك يستمر في حركته ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير حالته.
القانون الثاني لنيوتن
ينص على أنه:
عند تأثير قوة على كتلة جسم، فإن ذلك يغير حالته الحركية من السكون إلى الحركة بمرور الزمن، بحيث يتجه الجسم مع اتجاه القوة المؤثرة عليه.
يعتمد تسارع الجسم على القوة الكلية المؤثرة عليه وكتلته كما هو موضح بالصيغ الرياضية:
القوة = الكتلة × التسارع
وبالرموز:
ق = ك × ت
حيث إن:
- ق: القوة تُقاس بوحدة نيوتن.
- ك: كتلة الجسم تُقاس بالكيلوجرام.
- ت: تسارع الجسم يقاس بمتر/ث².
القانون الثالث لنيوتن
يعرف بقانون الفعل ورد الفعل، وينص على:
عند تأثير جسم على آخر بقوة معينة، فإن الجسم الثاني سيؤثر بدوره على الجسم الأول بقوة مساوية ومعاكسة في الاتجاه.
يمكن استخدام هذا القانون في تحليل مسائل التوازن بالإضافة إلى تفاعلات القوى.
أسئلة حول القوة والحركة
حساب مقدار التسارع
المثال (1):
إذا كان هناك صندوق بكتلة 2 كغ، تؤثر عليه قوة مقدارها 30 نيوتن في الاتجاه الإيجابي للمحور x، وأخرى مقدارها 20 نيوتن في الاتجاه السلبي، فما قيمة واتجاه تسارع الصندوق؟
الحل:
- كتابة المعطيات:
القوة الأولى = 30 نيوتن
القوة الثانية = 20 نيوتن
كتلة الصندوق = 2 كغ
- كتابة القانون:
القوة المحصلة = الكتلة × التسارع
- إيجاد القوة المحصلة:
القوة المحصلة = القوة الأولى – القوة الثانية
القوة المحصلة = 30 – 20
القوة المحصلة = 10 نيوتن باتجاه المحور x الإيجابي.
- تعويض المعطيات في القانون:
10 = 2 × التسارع
- إيجاد الناتج:
التسارع = 5 م/ث² في اتجاه المحور x الإيجابي.
المثال (2):
تأثرت سماح بقوة مقدارها 1800 نيوتن أثناء استخدام لعبة العجلة الدوارة، وكتلتها 52 كغ. فما مقدار تسارعها؟
الحل:
- كتابة المعطيات:
القوة المؤثرة = 1800 نيوتن
الكتلة = 52 كغ
- كتابة القانون:
القوة = الكتلة × التسارع
- تعويض المعطيات:
1800 = 52 × التسارع
- إيجاد الناتج:
التسارع = 34.6 م/ث²
حساب مقدار القوة المؤثرة
المثال (1):
دفع عامل اسطوانة حديدية كتلتها 100 كغ بقوة معينة، مما جعلها تتسارع بمقدار 4 م/ث². فما هي القوة التي دفع بها العامل الاسطوانة؟
الحل:
- كتابة المعطيات:
القوة = 400 نيوتن
التسارع = 4 م/ث²
- كتابة القانون:
القوة = الكتلة × التسارع
- تعويض المعطيات:
القوة = 100 × 4
- إيجاد الناتج:
القوة = 400 نيوتن
المثال (2):
إذا كانت هناك سيارة بكتلة 500 كغ تتحرك بتسارع 7 م/ث² على طريق سريع، ما مقدار القوة المطلوبة لهذا التسارع؟
الحل:
- كتابة المعطيات:
كتلة السيارة = 500 كغ
التسارع = 7 م/ث²
- كتابة القانون:
القوة = الكتلة × التسارع
- تعويض المعطيات:
القوة = 500 × 7
- إيجاد الناتج:
القوة = 3500 نيوتن
حساب مقدار كتلة الجسم
المثال:
تؤثر قوة مقدارها 4000 نيوتن على شاحنة، مما يجعلها تتحرك بتسارع 5 م/ث²، ما هي كتلة الشاحنة؟
الحل:
- كتابة المعطيات:
التسارع = 5 م/ث²
القوة = 4000 نيوتن
- كتابة القانون:
القوة = الكتلة × التسارع
- تعويض المعطيات:
4000 = الكتلة × 5
- إيجاد الناتج:
الكتلة = 800 كغ
القوة هي التغير الذي يحدث في سرعة جسم ذي كتلة معينة نتيجة دفعه أو سحبه، وهي كمية متجهة تتضمن مقدار واتجاه، بينما الحركة تمثل انتقال الجسم من موقع إلى آخر مع مرور الزمن. وترتبط الحركة ارتباطًا وثيقًا بالقوة، حيث أن الحركة تنشأ بشكل أساسي نتيجة تأثير القوة على الجسم مما يؤدي إلى تغيير حالته الحركية.