تعريف الحركة الدائرية
توصف الحركة الدائرية بأنها حركة كائن أثناء الدوران على مسار دائري، إذ يمكن أن تكون الحركة الدائرية منتظمة أو غير منتظمة، ومن الأمثلة الأكثر شيوعًا للحركة الدائرية قمرًا صناعيًا يدور حول الأرض، ومروحة سقف دوارة، وعجلة سيارة متحركة، وشفرات في طاحونة هوائية، حيث يقال إن الجسيم ينفذ حركة دائرية عندما يتحرك على طول محيط مسار دائري، ويتمثل أحد الجوانب المهمة للحركة الدائرية في أن اتجاه الحركة يتغير باستمرار على عكس حالة الحركة الخطية، ومن ثم يمكن أيضًا وصف الحركة الدائرية من حيث المتغيرات الزاوية، وتتمثل هذه المتغيرات الزاوية في:
الإزاحة الزاوية
يتم تعريفها على أنها الزاوية التي تدور بواسطة جسيم دوار لكل وحدة زمنية، ويتم تمثيلها بواسطة " ∆θ " ويتم قياسها بوحدة الراديان.
السرعة الزاوية
يتم تعريفها على أنها معدل التغيير في الإزاحة الزاوية لجسيم في حركة دائرية، ويتم الإشارة إليها بواسطة:
ω = lim∆t → 0 (∆θ / t) = dθ / dt
حيث إن:
ω: السرعة الزاوية.
∆θ: التغير في الإزاحة الزاوية.
t: الزمن.
وتُقاس السرعة الزاوية بوحدة راديان/ثانية، وبصرف النظر عن الإزاحة الزاوية والسرعة الزاوية، يمتلك الجسيم في حركة دائرية أيضًا سرعة خطية وسرعة خطية مقابلة.
التسارع الزاوي
يتم تعريفه على أنه معدل تغير السرعة الزاوية للجسيم الدوار، ويقاس بالراديان/ ثانية^2:
α = dω / dt = d2θ / dt2
حيث إن:
α: التسارع الزاوي.
dω: التغير في السرعة الزاوية.
dt: التغير في الزمن.
فيمكن أن تكون الحركة الدائرية موحدة وغير منتظمة اعتمادًا على طبيعة تسارع الجسيم ، حيث تسمى بالحركة الدائرية المنتظمة عندما يتحرك الجسيم على طول مسار دائري له سرعة ثابتة.
أنواع الحركة الدائرية
هناك نوعان من الحركة الدائرية:
الحركة الدائرية المنتظمة
عندما تكون حركة جسم في دائرة بسرعة ثابتة، تسمى بالحركة الدائرية المنتظمة. الجسم الذي يتحرك في دائرة يغير اتجاهه باستمرار، وهذا يعني أن الجسم الذي يشكل دائرة على مسار محدد سيكمل الشرائط المتكررة حول المسار في نفس مقدار الفترة في كل مرة، فعلى سبيل المثال يتحرك الجسم في مماس للدائرة .
الحركة الدائرية غير المنتظمة
إذا كان هناك تغيرات في سرعة الجسم المتحرك على طول المسار الدائري، ففي هذه الحالة تكون الحركة الدائرية غير منتظمة، والتغييرات التي تحدث في السرعة لها آثار على التسارع الشعاعي، فقد يكون هناك احتمالان: إما أن يكون نصف قطر الدائرة ثابتًا تمامًا كما هو الحال في الحركة على طول سكة دائرية أو مسار متحرك، وإما أن تكون القوة الشعاعية (الجاذبية المركزية) ثابتة، مثل دوران قمر صناعي حول الأرض تحت تأثير قوة الجاذبية الثابتة، ويتم حساب التغييرات التي تحدث في الاتجاه من خلال التسارع الشعاعي.
أمثلة على أنواع الحركة الدائرية
فيما يلي بعض الأمثلة على أنواع الحركة الدائرية:
أمثلة على الحركة الدائرية المنتظمة
فيما يلي بعض الأمثلة على الحركة الدائرية المنتظمة:
- دوران مروحة السقف.
- سيارة السباق تستدير في منحنى على مضمار السباق.
- كرة تتدحرج على الأرض بسرعة ثابتة.
- حجر مربوط بحبل يتأرجح في دوائر.
- دوران قمر صناعي حول الأرض على ارتفاع ثابت.
- كواكب مختلفة تدور بوتيرتها الخاصة حول الشمس أو حول كواكب أخرى.
- عقرب الساعة.
- نابض اهتزازي في ماكينة الخياطة.
- قطار يسير على طول القضبان بسرعة ثابتة.
- سفينة تسير في مسار مستقيم بسرعة ثابتة.
- الإلكترونات التي تدور حول النواة داخل الذرة.
أمثلة على الحركة الدائرية غير المنتظمة
فيما يلي أمثلة على الحركة الدائرية غير المنتظمة:
- كرة مرتدة.
- حصان يركض في سباق.
- حافلة في طريقها عبر السوق.
- سحب صندوق من مسار.
- حركة كويكب.
- تحرك الطائرات عبر السحب ثم هبوطها.
- توقف قطار قادم إلى نهايته.
- توقف السيارة.
- اصطدام السيارة بسيارة أخرى.
- رجل يركض في سباق 50 م.
خطوات حل مسائل الحركة الدائرية
هناك 5 خطوات سهلة لحل مسائل الحركة الدائرية:
- ارسم مخططًا حرًا للجسم يوضح جميع القوى المؤثرة على الجسم، ولا ينبغي سحب قوة الجاذبية المركزية إلا إذا طُلب منك ذلك، لأنها ناتجة عن قوى أخرى تعمل على الجسم.
- حدد مركز المسار الدائري.
- حل القوى على طول المحورين: في اتجاه مركز الدائرة وفي اتجاه عمودي على الاتجاه الأول.
- اكتب تعبيرًا عن القوة الكلية باتجاه مركز المسار الدائري، حيث أن هذه هي القوة التي تسبب تسارع الجاذبية.
- طبق قانون نيوتن الثاني على طول كل محور.
