القوة
عُرف مصطلح القوة منذ القدم على أنه خضوع الجسم المادي لحركة غير طبيعية؛ كالدفع، والسحب، والضغط، والتمدد.
مفهوم القوة
تُعرف القوة (بالإنجليزيّة: Force) في الفيزياء بأنها عامل خارجي يؤثر على جسم ما فيُغير حالته الحركية سواء كانت سكون أو حركة، وللقوة مقدار واتجاه معين، وتُقاس القوة بوحدة النيوتن (N) نسبةً للعالم الفيزيائي إسحاق نيوتن.
أنواع القوة
يُوجد في الطبيعة 4 أنواع أساسية للقوة، كما هو موضح أدناه:
القوة التي تَنشأ بين الأجسام المختلفة، ومن الأمثلة عليها سقوط الأجسام على سطح الأرض بسبب قوة جذب الكرة الأرضية لها، بالإضافة إلى دوران الكواكب حول الشمس بسبب قوة جذب الشمس لها، وقد عرّفها العالم إسحاق نيوتن في القرن 17.
القوة التي تَنشأ عن تَجاذب أو تَنافر الشحنات الكهربية، وتُستخدم في شرح السلوك الكيميائي للمادة وخصائص الضوء، وقد عرّفها العالم جيمس كليرك ماكسويل في القرن 19.
- القوة النووية
- القوة النووية القوية: قوة تنشأ بين مكونات الجسيمات الصغيرة ؛ مثل البروتونات والنيترونات، وتُسهم في ربط البروتونات والنيترونات معًا في الذرة، وقد اكتشفها وعرّفها الفيزيائيون في القرن 20 عندما درسوا وبحثوا في لبّ الذرة.
- القوة النووية الضعيفة: قوة تنشأ وتُؤثر في الإلكترونات، وتَتجلى هذه القوة في أشكال محددة من تفاعلات الانحلال الإشعاعي، والتفاعلات النووية التي تَحدث في الشمس والنجوم الأخرى.
الحركة
تتواجد الحركة في الأنظمة الفيزيائية على اختلافها؛ مثل: جسيمات المادة، والإشعاع، والأجسام، والانحناء، وللحركة العديد من الأنواع وهذا ما سنتطرق إليه تاليًا:
مفهوم الحركة
تُعرّف الحركة (بالإنجليزية: Motion) بأنها التغيير في موضع الجسم أو اتجاهه مع تَغير الزمن، وتُحدد حركة جسم ما بالنسبة إلى نقطة مرجعية عن طريق قياس التغير في موضع الجسم بالنسبة لهذه النقطة.
أنواع الحركة
تُصنف الحركة وفقًا لمسار الجسم أو علاقة تغير المسافة التي يقطعها خلال الزمن إلى 4 أنواع، كما يأتي:
حركة الجسم عندما ينتقل من موضع لموضع آخر خلال وقت معين، وإما أن تكون الحركة الخطية على مسار مستقيم أو على مسار منحني، ومن الأمثلة عليها حركة السيارة على الطريق، والقطار على السكة الحديدية، وسقوط ثمرة من الشجرة.
حركة الجسم عندما يدور حول محوره، ومن الأمثلة عليها دوران الأرض حول محورها، ودوران المروحة، ودوران مقود السيارة.
الحركة التي تتكرر خلال فترات زمنية متساوية، ومن الأمثلة عليها ارتداد الكرة، وموجات الماء، وحركة الكرسي الهزاز.
حركة الجسم عندما يتحرك ذهابًا وإيابًا حول موضع معين، مع تكرار الدورة في زمن معين، ومن الأمثلة عليها حركة البندول أو حركة الموجات الصوتية.
العلاقة بين القوة والحركة
ترتبط كل من الحركة والقوة معًا ارتباطًا وثيقًا، فالقوة هي المسؤولة عن تحريك الأجسام، أو إيقافها، أو تسريع حركتها أو إبطائها، فعند تطبيق مقدار معين من القوة على جسم ساكن، فإنها ستُغيّر من موضعه مما يتسبّب في حركته.
تجدر الإشارة إلى أن القوة المحصلة هي التي تؤثر على حركة الجسم، فعند وجود أكثر من قوة مؤثرة في نفس الوقت ينشأ عن مجموعها قوة تُسمّى بالقوة المحصلة، وعندما تكون قيمة هذه القوة تُساوي صفرًا فإن الجسم سيبقى ثابتًا في مكانه، أمّا إذا كانت تُساوي قيمةً محددةً فسيتحرك الجسم بناءً على هذه القيمة إمّا بحركة تسارع أو حركة تباطؤ.
يُمكن للقوة التأثير على حركة الجسم بعدة أشكال كما هو موضّح أدناه:
- تَسريع حركة الجسم.
- إبطاء حركة الجسم.
- تَغيير اتجاه حركة الجسم.
- إيقاف الجسم عن الحركة.
- تَغيير شكل وحجم الجسم.
قوانين نيوتن في القوة والحركة
وضع العالم إسحاق نيوتن 3 قوانين تَصف العلاقة بين القوى المؤثرة على الجسم وحركته، وفيما يأتي تَوضيح تفصيلي لها:
قانون نيوتن الأول
يُعرّف أيضًا باسم قانون القصور الذاتي (بالإنجليزية: The law of inertia)، وينص هذا القانون على أن:
الجسم الساكن يبقى ساكنًا، والمتحرك يبقى كذلك ما لم تؤثر عليه قوة تغير من حالته تلك.
بعبارةٍ أخرى الجسم يتحرك فقط عندما تؤثر عليه قوة خارجية، لذا فإنه يبقى ساكنًا عند غيابها.
قانون نيوتن الثاني
يَنص قانون نيوتن الثاني على أنه:
عند تأثير قوة ما على كتلة جسم، فإنها تتسبب في تغيير حالته الحركية من السكون إلى الحركة بمرور الوقت، بحيث يَكون اتجاه حركته في نفس اتجاه القوة المؤثرة عليه.
ويُستخدم هذا القانون في دراسة حركة الأجسام المتحركة والساكنة.
يعتمد تسارع حركة الجسم (بالإنجليزيّة: Acceleration) على عاملين رئيسيين، هما: القوة الكلية المؤثرة على الجسم، وكتلة الجسم، وطبقًا للصيغة الرياضية لقانون نيوتن الثاني فإن تسارع الجسم يَتناسب طرديًا مع القوة، وعكسيًا مع الكتلة وهو ما توضحه العلاقة الرياضية الآتية:
القوة = الكتلة × التسارع
وبالرموز:
ق = ك × ت
حيث إنّ:
- ق: القوة المؤثرة على الجسم تُقاس بوحدة نيوتن.
- ك: كتلة الجسم تُقاس بوحدة كغ.
- ت: تسارع الجسم يُقاس بوحد م/ث².
قانون نيوتن الثالث
يعرف قانون نيوتن الثالث أيضًا باسم قانون الفعل ورد الفعل ، وينص على أنه:
عند تأثير جسم على آخر بقوة معينة، فإن الجسم الثاني سيؤثر على الجسم الأول بقوة مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه.
ويُستخدم هذا القانون في تحليل مسائل التوازن.
تَنشأ القوة بحسب هذا القانون نتيجة تفاعل الأجسام فيما بينها، وتُؤثر على حركة الجسم بنفس اتجاهها، فعلى سبيل المثال، عندما تَستخدم سمكة ما زعانفها لتتحرك للأمام، فإن مقدار القوة التي تَبذلها تساوي مقدار القوة التي يبذلها الماء لتحريك السمكة، ولكن في الاتجاه المعاكس لحركتها.
أسئلة على القوة والحركة
حساب مقدار التسارع
المثال (1):
إذا كان هناك صندوق كتلته 2 كغ، وتؤثر عليه قوة مقدارها 30 نيوتن في الاتجاه الموجب للمحور x، وقوة أخرى مقدارها 20 نيوتن في الاتجاه السالب للمحور x، فما هي قيمة واتجاه تسارع الصندوق؟
الحل:
القوة الأولى = 30 نيوتن
القوة الثانية = 20 نيوتن
كتلة الصندوق = 2 كغ
القوة المحصلة = الكتلة × التسارع
- إيجاد القوة المحصلة من خلال القانون الآتي:
القوة المحصلة = القوة الأولى - القوة الثانية
القوة المحصلة = 30 - 20
القوة المحصلة = 10 نيوتن باتجاه المحور x الموجب.
- تعويض المعطيات وقيمة القوة المحصلة في القانون:
10 = 2 × التسارع
التسارع = 5 م/ث² في اتجاه المحور x الموجب
المثال (2):
تأثرت سماح بقوة مقدارها 1800 نيوتن أثناء ركوبها للعبة العجلة الدوارة التي ركبتها عندما ذهبت في رحلة فيزياء ميدانية مع مدرستها، فإذا كانت كتلتها 52 كغ فما هو مقدار تسارعها؟
الحل:
القوة المؤثرة = 1800 نيوتن
الكتلة = 52 كغ
القوة = الكتلة × التسارع
1800 = 52 × التسارع
التسارع = 34.6 م/ث²
حساب مقدار القوة المؤثرة
المثال (1):
دفع عامل إسطوانة من الحديد كتلتها 100 كغ بقوة معينة، فتسارعت بمقدار 4 م/ث²، فما هي القوة التي دفع بها العامل الإسطوانة؟
الحل:
قوة الدفع = 400 نيوتن
التسارع = 4 م/ث²
القوة = الكتلة × التسارع
القوة = 100 × 4
القوة = 400 نيوتن
المثال (2):
إذا كانت هناك سيارة كتلتها 500 كغ تسير بتسارع مقداره 7 م/ث² على طريق سريع، فما هو مقدار القوة التي تحقق هذا التسارع؟
الحل:
كتلة السيارة = 500 كغ
التسارع = 7 م/ث²
القوة = الكتلة × التسارع
القوة = 500 × 7
القوة = 3500 نيوتن
حساب مقدار كتلة الجسم
المثال:
تؤثر قوة مقدارها 4000 نيوتن على شاحنة، ما تجعلها تسير بتسارع يبلغ 5 م/ث² على الطريق، فما هي كتلة الشاحنة التي تحقق هذا التسارع؟
الحل:
التسارع = 5 م/ث²
القوة = 4000 نيوتن
القوة = الكتلة × التسارع
4000 = الكتلة × 5
الكتلة = 800 كغ
القوة هي التغير الحاصل في سرعة جسم ما ذو كتلة معينة بسبب دفعه أو سحبه، وهي كمية متجهة لها مقدار واتجاه، بينما الحركة هي انتقال الجسم من موضع لآخر بمرور الزمن، وتَرتبط الحركة ارتباطًا وثيقًا بالقوة، ذلك أنها في أصلها تَنشأ بسبب تأثير القوة على الجسم؛ لتتسبب بذلك في حركته بتسارع أو تباطؤ.
