القوىوالحركة

موضوع: القوىوالحركة الجمعة أبريل 10, 2009 11:52 pm

القوى والحركة
مسببات الحركة
الحركة مظهر عام من مظاهر الحياة. وفي بيئتنا القريبة نحن محاطون بأنواع شتى من الحركات. فالكائنات الحية تتحرك بإستمرار. كما أن هناك حركة القطارات والطائرات والسيارات وغيرها من وسائل النقل. وهذه يتحكم فيها الإنسان ويستثمرها لخدمته ورفاهيته. ولا تقتصر الحركة على الأجسام الأرضية أو القريبة من سطح الأرض، فللأجرام السماوية كالمجرات والنجوم والكواكب والأقمار حركات أيضاً. وهي جميعاً مما ألفه الإنسان وشغل بها منذ أقدم العصور. فلا عجب إذاً أن كان علم الحركة من أقدم العلوم التي درسها الإنسان وركز إهتمامه نحوها.
ورغم ما بين هذه الحركات من إختلاف ظاهر إلا أنه يمكن دراستها جميعاً في ضوء مجموعة من القوانين العامة
الحركة بدون قوة:
إن الإعتقاد بوجود علاقة ما بين القوة والحركة أمر تقودنا إليه مشاهداتنا وخبراتنا اليومية. فمثلاً نجد أن العربة يجرها حصان والقارب الشراعي تدفعه الرياح فيمخر عباب البحر. وغالباً ما نستعين بقوانا العضلية لتحريك الأجسام فندفعها أو نشدها في إتجاهات مختلفة. وكذلك الحال عندما نسقط جسماً بالقرب من سطح الأرض فإننا نعلل حركته بإتجاه مركزها لوجود قوة الجاذبية في جميع الأمثلة في الشكل (1-1) نجد بوضوح أن الحركة يصاحبها قوة من نوع ما سواء أكانت عضلية أم مغناطيسية أم تثاقلية أم غيرها. ولكن هل يعني ذلك بالضرورة أن القوة والحركة عنصران متلازمان، أي أن وجود أحدهما يعني وجود الآخر وإنعدام أحدهما يعني إنعدام الآخر؟.
إن الحصان يمكنه أن يشد العربة ورغم ذلك تبقى العربة ساكنة تحت ظروف معينة. وأنت تستطيع أن تدفع جدار غرفتك بكل ما أوتيت من قوة ولكن دون أن يتحرك الجدار من مكانه.
وعندما يتوقف بك المصعد في أحد الطوابق فلا بد أن السلك المثبت فيه يشده إلى الأعلى ورغم ذلك يبقى المصعد ساكناً. كما أن أقوى المغناطيسيات التي تستعملها في مختبر الفيزياء بمدرستك لا تستطيع أن تحرك قطعة من الحديد كتلتها في حدود 2 كجم إذا وضعت بالقرب منها على سطح الطاولة. وفي هذه الأمثلة ندرك وجود قوة مؤثرة في الجسم ( العربة – الجدار – الكتلة الحديدية) ورغم ذلك فإن هذه القوة – ولأسباب سنعرفها قريباً – لم تتسبب في إحداث حركة لهذا الجسم.
نخلص في ضوء ما سبق إلى أن القوة يمكنها أن تتسبب في إحداث الحركة ولكن إنعدام الحركة لا يعني بالضرورة إحداث حركة. ولكن هل توجد حركة بدون قوة؟
إذا إنطلقنا من خبراتنا السابقة واليومية نجد أنه لتحريك حسم ما على سطح أرض الغرفة نحتاج إلى دفعه بإستمرار وإلا توقف بعد فترة قصيرة. وعند قيادة السيارة ولكي نحافظ على سرعتها فإن عل محركها أن يعمل بإستمرار ليزودها بالقوة اللازمة للمحافظة على سرعتها وإلا تناقصت هذه السرعة وتوقفت السيارة. والقارب الشراعي يستمر في حركته طالما أن الريح تهب وتدفعه في عرض البحر ولكن عندما تسكن الريح تتضاءل سرعته ويتوقف عن الحركة، ويستمر هذا الحال إلى أن تهب الرياح مرة أخرى.
أن أمثال هذه المشاهدات قادت الفيلسوف الإغريقي أرسطو إلى أن يضع أول نظرية شبه متكاملة حول حركة الأجسام. لقد إقترح أرسطو إنه لا بد من وجود قوة ثابتة تؤثر في الجسم لكي يحافظ على حركته بسرعة منتظمة. ويمكننا أن نعبر عن هذا القانون بأسلوبنا الحديث على النحو التالي:
ومن الواضح أن هذا القانون يقودنا إلى أن القوة والحركة "السرعة" عنصران متلازمان فالجسم المتحرك يتوقف تماماً عن الحركة (ع = صفر) في حالة إنقطاع القوة المسببة لها.
ظلت آراء أرسطو قروناً عديدة إلى أن جاء جاليليو الفيزيائي الحقيقي الذي قرن المنطق العلمي والرياضي بالتجربيب فأخضع النظريات لإختبارات عملية كما صمم التجارب المنظمة وتحكم فيها لتكون مصدراً لنتائجه ومعلوماته.
لقد لاحظ جاليليو أن قوة الإحتكاك هي المسئولة عن توقف الأجسام المتحركة وليس غياب أو إضمحلال القوة الأصلية التي سببت الحركة. وقوة الإحتكاك هي قوة إعاقة تحدث عند تحريك(أو محاولة تحريك) جسم على جسم آخر ملامس له.
غير أن السؤال الذي يتبادر للأذهان هو:
لو إستطعنا التخلص من الإحتكاك نهائياً فمتى وأين سيقف الجسم المتحرك؟
لقد قادت التجارب جاليليو لأن يستنتج أنه في غياب قوة الإحتكاك، فإن الجسم المتحرك يستمر في حركته وبسرعة منتظمة في خط مستقيم دون الحاجة إلى قوة لتحركه.وهنا نورد ملخصاً للطريقة التي إستنتج بها جاليليو هذا المبدأ الذي يبدو للوهلة الأولى غريباً ومخالفاً لمشاهداتنا اليومية.
لاحظ جاليليو أنه إذا تحركت كرة على مستوى مائل وإلى الأسفل ثم بعد ذلك إستمرت لتصعد مستوى مائل آخر مماثلاً للمستوى الأول ( له نفس زاوية الميل)، فإنها تصل في مستوى الثاني إلى نفس الإرتفاع تقريباً الذي بدأت منه على المستوى الأول (كما في شكل (1-2أ)). ولقد عزا جاليليو هذا الفرق إلى وجود قوة الإحتكاك بين الكرة والمستوى. ثم أدرك بعدها أن الكرة ستصل إلى نفس الإرتفاع مهما كانت زاوية ميل المستوى الثاني وستقطع الكرة مسافة أكبر في هذه الحالة قبل أن تقف ( لاحظ شكل (1-2ب)).
وأخيراً ما الذي سيحدث إذا جعلنا المستوى الثاني في وضع أفقي تماماً وكان المستوى بالطبع أملس؟ أين ستقف الكرة؟ لا شك أنا نتصور بأن الكرة ستستمر في حركتها إلى ما لا نهاية وبسرعة منتظمة (أي ثابتة المقدار والإتجاه).
الأرضية وتأثيرها في الأجسام.
قانون نيوتن الأول
لقد قام إسحق نيوتن بتعميم الفكرة التي توصل إليها جاليليو لتكون قانوناً عالمياً وصاغه على النحو التالي:
كل جسم يحتفظ بحالته من السكون أو الحركة ما لم تؤثر فيه قوة خارجية".
ونقصد بلفظ "قوة خارجية" في القانون إنها محصلة القوى المؤثرة في الجسم. فالقانون يوضح حالة الجسم سواء لم تؤثر فيه أية قوة على الإطلاق أم كان واقعاً تحت تأثير مجموعة من القوى المتزنة, أي أن محصلتها تساوي صفراً. ففي كلتا الحالتين يبين لنا القانون الأول في الحركة أن الجسم الساكن يبقى ساكناً والجسم المتحرك بسرعة منتظمة في خط مستقيم يظل في حركته المنتظمة ما لم تؤثر في الجسم في الحالتين قوة إضافية. أي أن القانون لا يفرق من حيث المبدأ بين الجسم الساكن والجسم المتحرك حركة خطية منتظمة حيث أن مقدار محصلة القوى المؤثرة في الجسم في الحالتين يساوي صفراً. وكثيراً ما يرتبط القانون الأول بخاصية مهمة تشترك فيها جميع الأحسام المادية. هذه الخاصية هي "القصور الذاتي". ويقصد بها خاصية الجسم التي تحاول مقاومة التغيير في حالة سكونه أو حالة حركته. فالأجسام الساكنة تحاول المحافظة على سكونها، كما أن الأجسام المتحركة تحاول أن تحافظ على سرعتها التي إكتسبتها. وفي الحالتين يكون ذلك بفعل القصور الذاتي
القانون الثاني لنيوتن

من خلال دراسة قانون نيوتن الأول نرى أنه في حالة عدم وجود قوة مؤثرة في جسم ما، أو وجود مجموعة من القوى المتزنة المؤثرة فيه فإن هذا الجسم سيكون في حالة سكون أو حركة منتظمة في خط مستقيم. ونستمر الآن في دراسة حركة الأجسام عندما تؤثر فيها قوة ما، أو بتعبير آخر عندما تكون تحت تأثير مجموعة من القوى غير المتزنة، وهذه القوى بالطبع يكون لها محصلة فيبدو الجسم كما لو كان واقعاً تحت تأثير قوة واحدة فقط – هي المحصلة.
لا شك أن القانون الأول يدل ضمنياً على ما سيحدث للجسم عندما تؤثر فيه قوة أو قوى غير متزنة. إن هذا الجسم لن يتحرك بسرعة منتظمة في خط مستقيم وهو أمر يمكننا التوصل إليه بخبراتنا في الحياة. فمثلاً لتحريك جسم ساكن نحتاج لدفعه، ولإيقافه إذا كان متحركاً فإننا نؤثر قيه بقوة في إتجاه معاكس لحركته. كما أننا إذا أردنا أن نحرف جسماً متحركاً من مساره فإننا نؤثر فيه بقوة جانبية. وهذه العمليات جميعاً، زيادة السرعة أو تقليل السرعة أو تغيير إتجاهها، تتضمن تعييراً في متجه السرعة ع، سواء في المقدار أو الإتجاه ولهذا فإن الجسم في هذه الحالات لا يتحرك بسرعة منتظمة بل يتحرك بعجلة وتكون القوة الخارجية هي التي تسببت في إحداث هذه العجلة. وهذا يقودنا إلى إستنتاج أن هناك علاقة ما بين القوة والعجلة وليس بين القوة والسرعة كما إعتقد أرسطو.
إن علاقة القوة بالعجلة هي الموضوع الذي يتناوله القانون الثاني في الحركة والمعروف بالقانون الثاني لنيوتن، وكثيراً ما يطلق عليه إسم القانون الأساسي في الديناميكا.
ولكن ما هي العلاقة بين القوة المؤثرة في جسم والعجلة التي تحدثها هذه القوة؟
أن التجارب الدقيقة تؤكد أن العجلة (جـ) التي يكتسبها جسم تتناسب طردياً مع القوة (ق) المحدثة لها.
أي أنَّ:
جـ α ق أو ق α جـ(1-1)
وهذا يعني أن: جـ / ق = مقدار ثابت (1-2)
كما أن: ق/ جـ = مقدار ثابت (1-3)
إذا عدنا إلى خاصية القصور الذاتي التي ذكرناها آنفاً نجد أن مقاومة التغيير في الحالة السكونية أو حالة الحركة المنتظمة تعني في الحقيقة مقاومة التعجيل. أي أن الجسم يقاوم عملية إكسابه عجلة سواء كانت عجلة تزايدية أم عجلة تناقصية. ولذا فمن الطبيعي أن نتوقع أن يرتبط المقدار الثابت في العلاقتين (1-2)، (1-3) بهذه الخاصية بطريقة ما.
لذلك دعنا نستبدل مصطلح "الكتلة القصورية" بالمقدار الثابت ولنرمز له بالرمز كص وثم نكتب العلاقة السابقة في صورة تناسب طالما أننا لم نحدد بعد الوحدات المستخدمة في تقدير الكميات المذكورة.
وبذلك نحصل على العلاقات التالية:
ق/ جـ α كص ومنها ق α كص × جـ (1-2 َ)
جـ / ق α 1/ كص ومنها ق α كص × جـ (1-3 َ)
رغم أن جميع العلاقات السابقة صور مختلفة لعلاقة واحدة إلا أننا سنأخذ الصورة الأخيرة حيث نرغب في التركيز على العجلة.
جـ α ق/ كص (1-4)
إن هذه العلاقة تبين لنا أن:
"العجلة التي تحدثها قوة ما (قوة محصلة) في جسم تتناسب طردياً مع مقدار هذه القوة وتكون في إتجاهها، كما تتناسب عكسياً مع كتلة الجسم القصورية
وهذا هو نص القانون الثاني لنيوتن في الحركة
القوة الكهرومغناطيسية
هى القوة التى يؤثر بها المجال الكهرومغناطيسي علي الجسيمات الكهربية .

القوة الكهرومغناطيسية هى واحدة من بين أربع قوي أساسية في الطبيعة ؛ وباقى تلك القوي الأساسية هى القوي النووية القوية (وهى تلك المسئولة عن ترابط نواة الذرة),والقوي النووية الضعيفة والجاذبية ؛ فأي قوة في عالمنا عبارة عن تجميع لنسب مختلفة من هذه القوي الأربع الأساسية.

القوي الكهرومغناطيسية هى المسئولة عمليا عن كل مظاهر الحياة اليومية العادية فيما عدا الجاذبية؛فكل القوي المؤثرة في ربط مابين الذرات وبعضها البعض يمكن ارجاعها إلى القوة الكهرومغناطيسية التى تؤثر على الجسيمات الكهربية في الذرة من الكترونات وبروتونات؛ وبذلك يمكن اعتبار قوي "الشد" و"الدفع" التى نتعرض لها في حياتنا اليومية العادية عند الاصطدام بالأجسام العادية آتية من قوى الترابط ما بين الذرات المكونة لأجسامنا وتلك الذرات المكوة للأجسام التى صدمناها.

توليد مجال كهرومغنطيسي

عندما يمر تيار كهربي خلال جزء من السلك فإنه يتولد مجال مغنطيسي حوله. عنـد لـف السلك حول قطعة من المعدن، مع ترك القطبيـن الشـمالي والجـنوبي مكشـوفين يتمغنط المعـدن، بحيث يصبح مغنطيسًا كهربيًا. وعادة ما يستخدم تجار الحديد الخردة مغنطيسات كهربية ضخمة لالتقاط السـيارات القديمـة، وعند فصل التيار الكهربي عن المغنطيس فإنه يفقد قوته ويمكن إسقاط السيارة في مكان آخر.

الموجات الكهرومغنطيسية

ينتقل الضوء، والموجات اللاسلكية، وأشعة إكس، وصـور الطاقـة الإشعاعي الأخرى خلال الفضاء كموجــــات طاقــــة تـســـمى الموجـــات الكهرومغنطيسية. ولتلك الموجات قمة وقاع، تمامًا كالأمواج التي تتكون عندما نلقي بحجر في الماء الساكن. وتُـسمى المسافة بين قمـم الموجات بطول الموجة، وتقاس بالمتر. ويُـسمى عدد الموجات فـي الثانيـة بـالتردد ويقـاس بـالهرتز. وتنتقـل جـميع الموجات الكهporco dioرومغنطيسية بسرعة الضوء، وهي تردد موجة كهرومغنطيسية مضروبًا في طول الموجة نفسها.

لا بد و أنكم تعلمون أننا محاطون و بشكل مستمر و من جميع الجهات بأنواع مختلفة من أمواج الطاقة قليل منها مرئي و غالبيتها غير مرئية منها ما هو من صنع الطبيعة كالأمواج الضوئية التي تأتينا من الشمس و الأشعة الكونية و منها ما هو من صنع الإنسان كالأمواج الضوئية القادمة من المصابيح و الأمواج اللاسلكية الناتجة عن الهاتف الخلوي ( الجوال ) .

إذا تغاضينا عن أمواج الطاقة الميكانيكية ( كالأمواج الصوتية ) فإننا نستطيع أن نجزم بان معظم الأمواج الموجودة من حولنا هي أمواج ذات طبيعة كهرومغناطيسية و التي تشكل بمجموعها ما يسمى بالطيف الكهرومغناطيسي .

الآن لو أردنا أن نتحدث عن الطيف الكهرومغناطيسي نفسه فلا بد أن نذكركم بالجزء الأكثر شعبية منه أو الجزء الذي يعرفه معظمكم وهو الطيف الضوئي ( أو طيف ألوان قوس قزح ) أو ما يسمى علميا بطيف الضوء المرئي و على الرغم من أنه لا يشكل إلا جزءا بسيطا من الطيف الكهرومغناطيسي إلا أنه و في نفس الوقت قد ساهم في فهم المبدأ العام بشكل ممتاز .

الطيف الكهرومغناطيسي و عملية الإشعاع لن نفهمها تماما دون المرور بمفاهيم مثل طول الموجة و التردد و لكن قبل أن نخوض أيضا في هذين المفهومين نحن بحاجة للتعرف على طبيعة هذه الطاقة التي نسميها الطاقة الكهرومغناطيسية .

طبيعة الإشعاع الكهرومغناطيسي ( الطاقة الكهرومغناطيسية ) :

إن الاسم الذي أطلق على هذا الطاقة هو نتيجة لتفسير العلماء لطبيعتها فكلمة كهرومغناطيسي تجمع بين كلمتي كهربائي و مغناطيسي وهذا بالضبط التفسير الذي قدمه العلماء لهذه الطاقة فهي ( أي الإشعاع الكهرومغناطيسي ) عبارة عن سيل من الطاقة في مسار يحوي حقلين مغناطيسي و كهربائي تسير في الحقل المغناطيسي أمواج مغناطيسية و تسير في الحقل الكهربائي أمواج كهربائية و تتراوح الطاقة الكهرومغناطيسية جيئة و ذهابا بين هذين الحقلين أو المجالين بحيث أنه عندما تزداد شدة أحد الحقلين تنقص شدة الآخر و العكس بالعكس .

هذا يعني أن الموجتين ( أو نوعي الطاقة في الحقلين المختلفين ) مرتبطين معا و يتغيران معا بشكل متعاكس و تسمى سرعة التغير هذه بالتردد و بمعنى آخر أن التردد هو عدد المرات في الثانية التي تتغير بها الطاقة في الحقلين من أقصى قيمة لها و تعود لنفس هذه القيمة القصوى بمعنى أخر أنها عدد الأمواج التي تتشكل من هذا التغير خلال ثانية واحدة .

و لأن الطاقة الكهرومغناطيسية تتألف من تركيبة لموجتين مغناطيسية و كهربائية فقد ارتأى العلماء أن يسموها الأمواج الكهرومغناطيسية لأن طبيعتها موجية .

إذن التردد هو عدد المرات التي تصل فيها الطاقة الموجية لأقصى قيمة لها في اتجاه واحد . أما طول الموجة فهو مقياس آخر للموجة مرتبط بالتردد فهو يمثل المسافة بين أقصى قيمتين متتاليتين أو قاعين متتاليتين في نفس الاتجاه للطاقة الموجية .

أما حرصنا على الفهم الصحيح للطبيعة الموجية و المختلطة ( بين الكهربائية و المغناطيسية ) فلأنه سيشكل القاعدة الأساسية لفهم أنواع الطيف الكهرومغناطيسي و تقسيماته ( تصنيفاته ) وفقا للتردد أو لطول الموجة .

ومن الأمواج الكهرومغناطيسية التي تحيط بنا أشعة غاما - أشعة إكس ( الأشعة السينية ) - الأشعة فوق البنفسجية - الضوء المرئي ( الذي نستطيع تحسسه بالعين ) الأشعة تحت الحمراء - الأمواج المايكروية كالتي تستخدم بأفران المايكروويف - أمواج الرادار - الإرسال التلفزيوني - و أمواج الراديو و غيرها