الحركة والقوة والمرجع. الاجابة عن أهم الأسئلة

تُعد الحركة من الظواهر الفيزيائية الأساسية التي تخضع لتأثير القوى وتُقاس بالاستناد إلى مرجع معين. وفقًا لقوانين نيوتن، تتغير حركة الأجسام عند تأثير قوة خارجية، مما يؤدي إلى تسارعها أو تباطؤها أو تغيير اتجاهها. يعتمد وصف الحركة على نظام مرجعي يُستخدم لتحديد الموقع والسرعة بدقة، حيث قد يختلف التفسير وفقًا للمرجع المختار، سواء كان ثابتًا أو متحركًا. يساهم فهم العلاقة بين الحركة والقوة والمرجع في تفسير العديد من الظواهر الطبيعية وتطوير تطبيقات في مجالات متعددة، مثل النقل والهندسة والفيزياء الفلكية.

1 ـ هل القوة والشروط الابتدائية كافية لتحديد حركة جسم ؟

نشاط ـ 1 ـ

تخيل أنك واقف على الرصيف تراقب زميلا لك راكبا دراجة، ويسير بسرعة ثابتة وفق مسار مستقيم ماسكا في يده كرة التنس ثم يتركها تسقط دون قذفها.

نشاط ـ 2 ـ

تخيل الان أنك أنت الراكب على الدراجة، وأنت الذي تركت الكرة تسقط دون قذفها.

1 ـ ما هو مسار الكرة الذي تشاهده في كل الحالة ؟

الاجابة:

الحالة الأولى:

الحركة منحنية، ولها نفس خصائص حركة جسم مقذوف بسرعة ابتدائية أفقية من ارتفاع معين h

الحالة الثانية:

 الحركة مستقيمة متسارعة بانتظام، ولها نفس خصائص حركة سقوط حر بدون سرعة ابتدائية من ارتفاع معين h

2 ـ اقترح رسما للمواضع المتتالية لمركز الكرة خلال سقوطها في كل الحالة ؟

الاجابة:

الحالة الأولى:

الحالة الثانية:

3 ـ ما هي طبيعة حركة الكرة في الوضعية الأولى (في مرجع ساكن بالنسبة لسطح الأرض) (نشاط 1)؟

الحركة منحنية ولها نفس خصائص حركة جسم مقذوف بسرعة ابتدائية أفقية

4 ـ ما هي طبيعة حركة الكرة في الوضعية الثانية (في مرجع متحرك بحركة مستقيمة منتظمة بالنسبة لسطح الأرض) (نشاط 2)؟

الحركة مستقيمة متسارعة بانتظام ولها نفس خصائص حركة سقوط حر بدون سرعة ابتدائية

5 ـ قارن طبيعة الحركة ومسارها في النشاط 1 مع حالة حركة الكرية المقذوفة على طاولة أفقية ملساء . ماذا تلاحظ ؟

الحركة منحنية ولها نفس خصائص حركة جسم مقذوف بسرعة ابتدائية أفقية من ارتفاع معين ونفسر ذلك أنه في مرجع ساكن بالنسبة لسطح الأرض نرى الكرة مقذوفة، سرعتها الابتدائية هي سرعة الدراجة قبل مغادرة يد الدراج والقوة المؤثرة هي قوة جذب الأرض.

6 ـ قارن طبيعة الحركة ومسارها في النشاط 2 مع حالة السقوط الحر للكرية مدروسة سابقا. ماذا تلاحظ ؟

- الكرة والدراجة يشتركان في نفس الحركة الأفقية المنتظمة، فالقوة المسؤولة على حركة الكرة ليس لها فعل أفقي، إذا هي شاقولية: انها قوة جذب الأرض للكرة.

- في المرجع المنسوب إلى الدراجة تسقط الكرة المتروكة بدون سرعة ابتدائية، شاقوليا وفق حركة متسارعة، حركتها مماثلة لتلك التي يمكن مشاهدتها في مرجع أرضي، لو تركت الكرة تسقط بدون سرعة ابتدائية، قوة جذب الأرض هي المسؤولة عن الحركة. 

7 ـ ما هي السرعة الابتدائية للكرة في النشاط 1 أي في المرجع الساكن (الرصيف)؟

السرعة الابتدائية للكرة في النشاط 1 هي سرعة الدراجة.

8 ـ ما هي السرعة الابتدائية للكرة في النشاط 2 أي في المرجع الدراجة ؟

السرعة الابتدائية للكرة في النشاط 2 أي في مرجع الدراجة معدومة.

9 ـ ماذا تستنتج عن علاقة الشروط الابتدائية بمرجع الدراسة ؟

للشروط الابتدائية الموضع والسرعة، علاقة بالمرجع ففي المرجع الأرضي (الرصيف) كانت السرعة الابتدائية هي سرعة الدراجة، وفي مرجع الدراجة كانت السرعة الابتدائية للكرة معدومة.

10 ـ ما هي القوة المطبقة على الكرة في كلا النشاطين؟

القوة المطبقة على الكرة في كلا النشاطين هي قوة جذب الأرض.

11 ـ ماذا تستنتج عن علاقة القوة بمرجع الدراسة إذا كان أحد المرجعين يتحرك بحركة بالنسبة للأخر؟

مرجع الدراجة في حركة مستقيمة منتظمة بالنسبة لمرجع الأرض (الرصيف)، ولاحظنا في كلا المرجعين ان قوة جذب الأرض هي المسؤولة عن الحركة. إذن إذا كان أحد المرجعين يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة بالنسبة للأخر فان القوة لا تتغير. إذن القوة المؤثرة ليس لها علاقة بمرجع الدراسة.

نتيجة:

عندما نقوم بدراسة حركة جسم  في معلمين مرتبطين، احدهما يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة بالنسبة  للأخر، فان مسار  حركة هذا الجسم  يختلف من معلم لأخر، والشروط الابتدائية أيضا تختلف من معلم لأخر، ولكن القوة المطبقة على الجسم تبقى نفسها، أي أن القوة لا تتغير إذا غيرنا مرجع الدراسة بمرجع يتحرك بالنسبة للأول بحركة مستقيمة منتظمة، نسمي هذا النوع من المعالم " المعالم الغاليلية " أو" المعالم العطالية ".

2 ـ مفهوم المرجع الغاليلي (العطالي) ومفهوم المرجع غير الغاليلي (غير العطالي):

2 ـ 1 ـ مفهوم المرجع:

هو جسم صلب تنسب اليه الحركة، و يمكن أن يكون ساكنا أو متحركا ويرتبط بمعلمين : معلم المسافة ومعلم الزمن.

مثال:

المسافر داخل السيارة يكون ساكنا في مرجع السيارة، ومتحركا في المرجع المرتبط بالأرض.

2 ـ 2 ـ المعالم الغاليلية:

 لدراسة حركة الأجسام المختلفة عرف الفيزيائيون معالم مخصصة تعتبر غاليلية حسب ظروف، ونوع الحركات المدروسة.

أ ـ المعلم الهيليومركزي (معلم كوبرنيك):

   هو معلم ذو ثلاثة محاور موجهة نحو ثلاثة نجوم، نعتبرها تقريبا ساكنة بالنسبة للشمس خلال مدة طويلة (قرون)، ومبدأه مركز الشمس. يعتبر أيضا المعلم معلما غاليليا إلى حد كبير، ويعتمد في دراسة حركة الكواكب، المذنبات وبعض المركبات الفضائية.

ملاحظة:

 تتحرك الشمس بحركة تقريبا دائرية، حول مركز مجرتنا دورها يقارب 240 مليون سنة تقريبا.

ب ـ المعلم المركزي الأرضي:

هو معلم مبدأه في مركز الأرض، ومحاوره موازية لمحاور المعلم الشمسي، أي موجه لنفس النجوم الثابتة (معناه أنها ثابتة ولا تدور مع دوران الأرض). واعتباره كمرجع غاليلي، أقل دقة من حالة المرجع الشمسي، إذ أن ليس لمركزه حركة مستقيمة، (لأنه يدور حول الشمس)، وهو عطالي بكفاية لدراسة حركة القمر، والأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض.

جـ ـ المعلم السطحي الأرضي:

وهو معلم مرتبط بسطح الأرض، (ركن المخبر مثلا، شجرة، رصيف...)، واعتباره كمرجع عطالي أقل دقة من سابقيه، ولكنه عطالي بكفاية لدراسة معظم الحركات التي ندرسها خلال مدد زمنية قصيرة جدا، أمام دوران الأرض حول نفسها.

ملاحظة:

في المرجع الغاليلي:

ـ لا تتعلق حركة الجسم إلا بـ : الشرطيين الابتدائيين للموضع والسرعة، بالقوى المطبقة على هذا الجسم.

ـ يتحقق مبدأ العطالة " إذا كان الجسم ساكنا، أو متحركا بحركة مستقيمة منتظمة، فهو لا يخضع لأية قوة أو أن القوى المطبقة عليه متبادلة، ولا يكون لها أي تأثير".

ـ كل مرجع يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة بالنسبة لمرجع غاليلي فهو أيضا مرجعا غاليليا.

ـ لتعريف مرجع غاليلي نبحث عن مرجع ساكن أصلا، لنتأكد من الحركة المستقيمة المنتظمة لهذا المرجع.

ـ إذا كانت مدة الحركة المدروسة قصيرة جدا، يمكن اعتبار أنه خلال هذه المدة حركة المرجع مستقيمة منتظمة بالنسبة لمرجع غاليلي، فيمكن اعتباره أيضا مرجعا غاليليا.