مفهوم العزم في الفيزياء

مفهوم العزم في الفيزياء

يُعدّ العزم من أهمّ القوانين الفيزيائية وتسميته الصحيحة هي عزم الدوران أو عزم القوّة الدورانية، ويُعرّف عزم الدوران بأنّه قابليّة القوّة المُطبّقة على جسم على لتدويره حول محور دوران، حيث يُساوي عزم الدوران مقدار المركّبة العمودية للقوّة المُطبّقة مع متّجه سطح محور الدوران مضروبة بأقصر مسافة بين المحور ومتّجه القوّة والتي تُسمّى بطول الذراع، ويُمكن أن يكون اتجاه تطبيق القوة في مستوى موازٍ لمحور الدوران، ووحدة قياس عزم الدوران بالنظام المتري هي متر. نيوتن ويرمز لها (N.m).

أنواع عزم الدوران

يُوجد نوعان من عزم الدوران وهما ما يأتي:

• عزم دوران ديناميكيّ: يتسبّب بحركة الجسم حول محور الدوران وينتج عنه تسارُع زاويّ أثناء الحركة، ومن أمثلة التسارع الديناميكي الحركة الدورانية لعمود دوران عجلات سيّارات السباق والذي ينتج عنه تسارع زاويّ؛ لأنّ السيارة تبقى في حالة تسارُع من بداية السباق حتّى آخره.
• عزم دوران ثابت: لا ينتج عن هذا النوع حركة في الجسم الذي طُبّقت عليه القوّة ولا ينتج عنه تسارُع زاويّ، ومن الأمثلة التوضيحية لهذا النوع ما يأتي:
  • دفع باب مغلق بقوّة معيّنة، حيث لا ينتج عن هذه القوّة حركة للباب حول محور دوران الباب.
  • استخدام دوّاسات الدوران للدراجة بسرعة ثابتة بحيث لا يحدث تسارع.

كيفية قياس عزم الدوران

يُمكن حساب عزم الدوران بتطبيق المعادلة الآتية:

T = F * r * sinθ حيث تدلّ هذه الرموز على ما يأتي:

• T: عزم الدوران ووحدتها نيوتن.متر (N.m).
• F: القوّة الخطيّة المطبّقة ووحدتها نيوتن (N).
• r: المسافة من محور الدوران إلى مكان تطبيق القوّة، وتُسمّى بطول ذراع القوّة ووحدتها متر (m).
• θ: الزاوية بين اتجاه تطبيق القوّة (F) وطول ذراع القوّة (R).

وفي ما يأتي توضيح لذلك: إذا كان طول مفتاح فكّ الصواميل 0.6 متر، وكان المفتاح مائلاً عن الاتجاه الأفقيّ بمقدار °15، وضُغط على المفتاح بوزن شخص كامل بقوّة 900 نيوتن، فإنّ زاوية تطبيق القوّة °θ = 15° 90 وتُساوي °105، وتُطبّق معادلة حساب عزم الدوران كالآتي:

T = F * r * sinθ

T = 900 (N) * 0.6 (m) * sin105 ويساوي 521.6 N.m 

تطبيقات على عزم الدوران

يُوجد العديد من التطبيقات والأمثلة العملية لاستخدامات عزم الدوران في الحياة، ومن هذه أمثلة من التطبيقات العملية ما يأتي:

• لعبة أرجوحة التوازن: (بالإنجليزية: See Saw)؛ يَقوم مبدأ عملها الأساسي على تطبيق عزم الدوران، حيث يكون محور الدوران في منتصف العمود الذي يجلس عليه الطفلان والمسافة بين نقطة المنتصف إلى طرفيّ العمود هي أذرع تطبيق القوة، ووزن الطفلين على كلّ طرف هو القوّة المطبّقة.
• الأبواب المثبّتة بمفصّلات: تُمثّل المفصّلات المرتبطة بطرف الباب المثبّت محور الدوران، وعرض الباب هو طول ذراع القوّة، والقوّة المطبّقة هي قوّة قبضة اليد عند فتح الباب أو إغلاقه.
• مقود السيارة: حيث يُعدّ مركز المقود محور الدوران، وقطر المقود طول الذراع، والقوّة المطبّقة هي قوّة اليد عند تحريك المقود.
• فكّ صواميل عجل السيّارة: وذلك باستخدام مفتاح صواميل خاص، حيث يكون لهذا المفتاح رأس يُثبّت على كلّ صامولة يُراد فكّها والتي تُمثّل مركز الدوران، وللمفتاح ذراع بطول معيّن يُضغط عليه من نهايته بقوة وزن لفك الصامولة، ويُمثّل هذا الطول طول ذراع تطبيق القوّة، والقوّة المطبّقة هي وزن الشخص الذي سيقف عند نهاية الذراع، وإذا ما طُبّقت القوّة وذراع مفتاح الفكّ في وضع أفقيّ فإنّها الحالة المثاليّة لتطبيق عزم الدوران حيث يكون تطبيق القوّة عمودياً، لكنّ اتجاه تركيب صواميل عجلات السيّارات وهي في حالة الشدّ يجعل ذراع مفتاح الفكّ يميل بمقدار 15٪ عن الأفقيّ عند تركيبه عليها.