دفع وكبح متحرك. الاجابة عن أهم الأسئلة

يُعد الدفع والكبح من المفاهيم الأساسية في علم الحركة، حيث يعكسان تأثير القوى على الأجسام المتحركة. يشير الدفع إلى القوة المؤثرة التي تزيد من سرعة الجسم أو تغير اتجاهه، بينما يمثل الكبح عملية تقليل السرعة أو إيقاف الحركة بفعل قوى مقاومة مثل الاحتكاك أو القوة المعاكسة. تلعب هذه الظواهر دورًا جوهريًا في العديد من التطبيقات، بدءًا من وسائل النقل، مثل السيارات والطائرات، وصولًا إلى الأنظمة الميكانيكية والروبوتية. يساعد فهم آليات الدفع، والكبح في تحسين كفاءة الحركة، وتطوير تقنيات أكثر أمانًا وفعالية في مختلف المجالات الهندسية، والتكنولوجية.

III ـ مبدأ الفعلين المتبادلين:(القانون الثالث لنيوتن)

1 ـ تعريف الجملة الميكانيكية:

الجملـة الميكانيكية هي عبارة عن جسم، أو مجموعة من الأجسام تحدّد قصد دراستها، كل الأجسام الأخرى التي لم تأخذ بعين الاعتبار مع الأجسام التي حـدّدت لتشكيل الجملـة المدروسة تعتبـر وسط خارجي.

2 ـ نص مبدأ الفعلين المتبادلين:

إذا أثرت الجملة $A$ على الجملة $B$ بقوة ${\overrightarrow{F}}_{A/B}$، فإن الجملة $B$ تؤثر أيضًا وبصورة آنية على الجملة $A$ بقوة ${\overrightarrow{F}}_{B/A}$. القوتان الموافقتان متعاكستان مباشرة وتحققان بالتالي العلاقة: $${\overrightarrow{F}}_{A/B}=-{\overrightarrow{F}}_{B/A}$$

3 ـ الكشف عن القوى بالاعتماد على مبدأ الفعلين المتبادلين:

IV ـ قوة الاحتكاك:

1 ـ أنشطة أولية:

النشاط ـ1ـ

  أترك كرية حديدية تنزلق من إرتفاع h دون قذفها على زالقة لتواصل حركتها على سطح أفقي لطاولة. 

حدد وضع توقفها على الطاولة، وما هي القوى التي تخضع لها؟ هل الجسم في حالة عطالة عندئذ.

النشاط ـ 2 ـ

أعد نفس التجربة، هذه المرة بوضع ورقة كبيرة، أو قطعة قماش على الطاولة، أو بذر قليل من الرمل عليها.

ـ حدد في كل مرة المسافة التي تقطعها الكرية. ماذا تلاحظ ؟ ماذا تستنتج؟

 الملاحظة:

عند وضع قطعة القماش على الطاولة نلاحظ أن المسافة التي تقطعها الكرية تقل بالنسبة لحالة الطاولة، وتقل أكثر عند  ذر الرمل عليها.

 الإستنتاج:

نستنتج أن لسطح التلامس تأثير على حركة الكرية، حيث يمكن أن ينقص من سرعة الكرية، ويؤثر بقوة معاكسة  لجهة الحركة.

ـ أعد نفس التجربة، هذه المرة بتغليف الكرية بشريط لاصق. ماذا تلاحظ؟

الملاحظة:

الحركة تدوم لمسافة أكبر، أي أن سطح التلامس يقل تأثيره على الكرية بوجود الشريط اللاصق.

ـ لماذا لجأنا لترك الكرية تنزلق من نفس الارتفاع بدلا من قذفها على الطاولة ؟ إشرح ذلك

الإجابة:

تركنا الكرية تنزلق من نفس الارتفاع حتى تكون خاضعة لنفس القوة أثناء حركتها، وتكتسب نفس السرعة على الطاولة الأفقية. 

نتيجة :

ـ تتوقف الكرية المتحركة على سطح أفقي بعد قطع مسافة معينة، وهذا يعني أنها حسب مبدأ العطالة، خاضعة لقوة تقلل من سرعتها إلى أن توقفها، سبب هذه القوة هو السطح الذي تتحرك عليه الكرية وتكون جهة القوة معاكسة لجهة الحركة لأن السرعة متناقصة.

ـ تتعلق القوة المطبقة من طرف سطح الطاولة على الكرية بطبيعة هذا السطح، حيث تكون شدة القوة كبيرة في السطح الخشن وصغيرة في سطح أقل خشونة، وأثرها مهملا في حالة السطوح الملساء، كما أنها تتعلق أيضا بطبيعة سطح الكرية المتحركة.

ـ هناك قوة تنشأ عن تلامس الجسم المتحرك والسطح الذي تتم عليه الحركة، هذه القوة لها جهة معاكسة لجهة الحركة، وتسمى قوة الاحتكاك، وهي تتعلق بطبيعة السطح الذي تحدث عليه الحركة.

ـ كيف تمثل هذه القوة ؟

ملاحظة:

أ ـ حالة مستوي أملس:

قوة الاحتكاك معدومة، والكرية تخضع فقط لقوة الثقل وقوة التلامس.

ب ـ حالة مستوي خشن:

قوة التلامس مائلة بعكس جهة الحركة وتتحلل إلى مركبتين

- مركبة مماسية ومعاكسة لجهة الحركة.

- مركبة ناظمية على مستوى الحركة لموازنة الجسم على المستوي الأفقي الذي تتم عليه الحركة.

2 ـ الاحتكاك صلب ـ صلب:

3 ـ احتكاك صلب ـ مائع:

- هل يوجد احتكاك في الهواء والسائل ؟

يوجد في الهواء والسائل

4 ـ تطبيقات قوة الاحتكاك:

أ ـ انطلاق سيارة:

النشاط ـ 2 ـ

أثناء الاقلاع، في أي اتجاه وفي أية جهة يؤثر الطريق على السيارة عندما يدوس السائق على دواسة التسارع ؟

الحالة الأولى: السيارة على الرمل أو الجليد.

الحالة الثانية: السيارة على طريق معبد.

الاجابة:

الحالة الأولى:

ـ في هذه الحالة تؤثر الطريق على كل عجلة أمامية، أو خلفية بقوة عمودية على الطريق، مركبتها الأفقية معدومة تقريبا، وبالتالي لا يمكن أن تتقدم السيارة، حيث نلاحظ أن العجلات الأمامية تدور في مكانها دون أن تتقدم السيارة. والعجلات الخلفية تنزلق لعدم وجود احتكاك.  

الحالة الثانية:

يدير المحرك العجلات الأمامية للسيارة، وكل عجلة أمامية تؤثر على أرضية الطريق بقوة ${\overrightarrow{F}}_{r/S}$ موجهة عكس جهة الحركة (نحو الخلف). وحسب مبدأ الفعلين المتبادلين، تؤثر الطريق على كل عجلة أمامية بقوة ${\overrightarrow{F}}_{S/r}$ يمكن تحليلها إلى مركبتين: - مركبة شاقولية توازن العجلة على سطح الأرض: $\overrightarrow{R}$ - مركبة أفقية ندعوها الاحتكاك $\overrightarrow{F}$ موجهة في جهة الحركة، فهي قوة محركة تدفع بالسيارة إلى الأمام. بالنسبة للعجلات الخلفية، تؤثر الطريق على كل عجلة بقوة ${\overrightarrow{F^{\prime }}}_{S/r}$ لها مركبة أفقية $\overrightarrow{F^{\prime }}$ موجهة نحو الخلف، وهي التي تسبب دوران العجلات الخلفية، ومركبة ناظمية $\overrightarrow{R^{\prime }}$ للتوازن.

ب ـ كيف يتم كبح سيارة:

يضغط السائق على دواسة الفرامل فيمنع بذلك العجلات الأمامية من الدوران، في هذه الحالة قوة الاحتكاك التي تطبقها الطريق على العجلات الأمامية، والخلفية تكون عكس جهة الحركة، وتعتبر قوة معيقة.

جـ ـ حالة سيارة في منعرج:

تقطع سيارة منعرجا أفقيا دائري الشكل بسرعة ثابتة، ما هي خصائص قوة الاحتكاك المطبقة على العجلات ؟ مثلها برسم مع الشرح.

الاجابة:

قبل المنعرج، تكون الطريق مستقيمة، وشعاع السرعة $\overrightarrow{v}$ منطبق على الطريق الأفقي.

في حالة الطريق المنحني، فإن شعاع السرعة $\overrightarrow{v}$ يكون مماسيًا للمسار.

قوة الاحتكاك $\overrightarrow{F}$ تمنع الانزلاق وتكون باتجاه مركز الدوران. وللاجتياز الآمن للمنعرج، يجب أن تتحقق العلاقة التالية:

$${\overrightarrow{F}}^{\prime }\le \overrightarrow{F}$$

إذا كانت أرضية المنعرج زلجة، فإن قوة الاحتكاك تنعدم، ويخرج السائق خارج المنعرج بسبب القوة الطاردة المركزية ${\overrightarrow{F}}^{\prime }$ (القوة الزالقة).

د ـ حالة راجل:

ـ هل يمكن لراجل المشي بسلام فوق أرضية زلجة (ملساء) ؟

لا يمكن المشي بسلامة فوق أرضية زلجة ملساء لانعدام الاحتكاك مما يسبب الانزلاق. فأحذية الرياضيين تحمل نتوءات في أسفلها لزيادة قوة الاحتكاك المحركة مع الأرضية.