قوة

مواضيع في الميكانيكا الكلاسيكية
ميكانيكا كلاسيكية (التاريخ)
${\displaystyle {\vec {F}}={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}(m{\vec {v}})}$ قانون نيوتن الثاني السكون | الحركة | التحريك |هاملتون | لاغرانج
مصطلحات رياضية
جسيم نقطي | نظام إحداثي | متجه | جسم جاسيء
علم السكون
توازن ميكانيكي | قيد ميكانيكي | مبرهنة لامي | إجهاد القص | انفعال | إجهاد
علم الحركة
حركة انتقالية | حركة دورانية | سرعة | تسارع | سرعة خطية | سرعة زاوية | تسارع خطي | تسارع زاوي
علم التحريك
قوانين نيوتن الثلاثة للحركة | طاقة حركية| ميكانيكا تحليلية | طاقة كامنة | قوة | متجه | زخم أو كمية الحركة | دفع القوة | عزم | عطالة | عزم العطالة | عزم زاوي | تصادم | سقوط حر | ثقالة | قذف
قوانين الحفظ
بقاء الكتلة | بقاء القيمة | بقاء الطاقة | تكافؤ المادة والطاقة | مبرهنة نويثر | معادلة الاستمرار | لاتباين أو صمود

تعرف القوة في الفيزياء على أنها مؤثر يؤثر على الأجسام فيسبب تغييرا في حالة الجسم أو اتجاهه أو موضعه أو حركته. فمثلا عندما نصدم كرة فهي تتحرك، وعندما نصدم كرة متحركة فهي تنحرف عن مسارها. القوة هي نسبة تغير الزخم (كمية الحركة) بالنسبة للزمن.

القوة هي كمية متجهة (لها مقدار واتجاه)، وتسبب في تعجيل الجسم بمقدار معين. عرف القوة أولا ارخميدس في القرن الثالث قبل الميلاد، ولكن إسحاق نيوتن علم بمبادئ القوة الرياضية في القرن 17. تقاس القوى بوحدة تسمى "نيوتن".

حسب قانون نيوتن الثاني، لمعرفة القوة تستخدم المعادلة التالية:

القوة = الكتلة × التسارع

إذا كانت لدينا كتلة (بالكيلوجرام) تؤثر عليها قوة ناتجة من جاذبية الأرض لها. وعلما بأن عجلة الجاذبية الأرضية (9.8 متر/ثانية²)، فيمكن حساب قوة التجاذب بينها والأرض:

قوة التجاذب = وزن الجسم = 9.8 × الكتلة:وتكون وحدته كيلوجرام. متر /ثانية² أو (نيوتن)

قوة التجاذب على الأرض هي أيضا ما نسميه الوزن.

في الفيزياء نفرق بين الكتلة والوزن. الكتلة تقاس بالكيلوجرام، أما الوزن فنقيسه [كيلوجرام.متر /ثانية²]. ولكننا مجازا نستخدم في حياتنا اليومية تعبير [كيلوجرام] عن الوزن، وهذا خطأ، فالوزن وحدته كيلوجرام.متر/ثانية²، أما الكتلة فهي لا تتغير، وتقاس بالكيلوجرام.

• فمثلا: كرة من الحديد كتلتها 6 كيلوجرام فنقول عادة أن وزنها على الأرض 6 كيلوجرام.

فإذا وزنا الكرة على القمر فهي تزن 1/6 من وزنها على الأرض، ذلك لأن جاذبية القمر تبلغ نحو 1/6 من جاذبية الأرض. أما الكتلة فهي متساوية على الأرض أو القمر. ويتغير وزن جسم بحسب الكوكب الذي هو عليه: أرض، قمر، مريخ.، بحسب قوة جاذبية الكوكب. أما الكتلة فهي ثابتة لا تتغير.

وحدة القوة هي النيوتن = 1 كيلوجرام.متر /ثانية²

(2) القوة هي أيضا نسبة تغير الزخم (كمية التحرك) بالنسبة للزمن:

${\displaystyle {\vec {F}}={\mathrm {d} {\vec {p}} \over \mathrm {d} t}=m{\vec {a}}}$

حيث: F = القوة، p = الزخم (كمية التحرك)، t = الزمن، m = الكتلة، a = التسارع.

و زخم حركة جسم (كمية تحركه) = كتلة الجسم x سرعته

مفهوم القوة قبل نيوتن

في القدم كان مفهوم القوة مرتبطا بعمل الآلات البسيطة. فمن المزايا الميكانيكية للآلات البسيطة أنها تسمح بآداء نفس العمل باستخدام قوة أقل. وقد قام أرخميدس بتحليل خصائص هذه القوى واشتهر بصياغة ما يخص قوى الطفو في السوائل.

قدم أرسطو مناقشة فلسفية لمفهوم القوة. فمن وجهة نظره أن العالم الطبيعي يحتوي أربعة عناصر ويوجد لكل عنصر حالة طبيعية. وقد أعتقد بأن الحالة الطبيعة للعناصر ذات الكتلة هي أن تكون عديمة الحركة وعلى الأرض، وأنها تميل لهذه الحالة إذا تركت وشأنها. وقد فرق أرسطو بين الميل الداخلي للعناصر لإيجاد مكانها الطبيعي (مثلا سقوط الأجسام الثقيلة)، وهو ما يؤدي إلى الحركة الطبيعية، وما بين الحركة الغير طبيعية والتي تسلتزم تطبيق مستمر للقوة.

الميكانيكا النيوتونية

امثلة لبعض القوى: قوة الجاذبية والقوة المغناطيسية.

سعى إسحاق نيوتن إلى تحقيق قانون يصف حركة جميع الأجسام استنادا إلى عطالته (القصورالذاتى) والقوى المؤثرة عليه.وقام بذلك بتطبيق قوانين الانحفاظ. وفي سنة 1687 أصدر كتابه كتاب الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية The Principia Mathematical Principles of Natural Philosophy^[1]،^[2] وقد شمل هذا الكتاب قوانين الحركة الثلاث، والتي ما زالت إلى اليوم تستخدم لوصف القوى المؤثرة في الفيزياء.

قانون نيوتن الأول

ينص القانون الأول على أن الجسم الساكن يبقى ساكنا ما لم تؤثر عليه قوة تحركه، وكذلك الجسم المتحرك بسرعة ثابتة يستمر في حركته بسرعة ثابتة مالم تؤثر عليه قوة خارجية. ويأتي هذا القانون كامتداد لرؤية غاليليو غاليلي.

قانون نيوتن الثاني

ينص على أن جسم ذو كتلة m تحت تأثير قوة F يكتسب تسارع a وفقا للقانون التالي:

${\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}}$

حيث: F = القوة، m = الكتلة، a = التسارع.

القوة ${\displaystyle {\vec {F}}}$ والتسارع:${\displaystyle {\vec {a}}}$ كميتان متجهتان ولذلك وضعنا على كل منهما سهما.أما الكتلة فهي كمية غير متجهة.

مثال على تطبيق هذا القانون نجده في رقاص (رياضيات) أو حركة توافقية بسيطة.

قانون نيوتن الثالث

ينص على أن أي قوة تؤثر على جسم ما فإن الجسم يؤثر بقوة أخرى مساوية في المقدار للقوة الأولى ومعاكسة لها في الاتجاه.

تراكيب القوى

تحليل القوة الجاذبية ${\displaystyle {\vec {G}}}$ إلى مركبتين ${\displaystyle {\vec {F_{1}}}}$ والقوة ${\displaystyle {\vec {F_{2}}}}$ متعامدتين.

ينص مبدأ تراكب القوى على أن: إذا عملت عدة قوى ${\displaystyle {\vec {F_{1}}},{\vec {F_{2}}},\ldots ,{\vec {F_{n}}}}$ على جسم في نفس الاتجاه، فإن القوة الناتجة(المحصلة) تساوي مجموع القوى:

${\displaystyle {\vec {F_{result}}}={\vec {F_{1}}}+{\vec {F_{2}}}+\ldots +{\vec {F_{n}}}}$.

أي يكون تأثير القوة ${\displaystyle {\vec {F_{res}}}}$ مساويا لمجموع القوي ${\displaystyle {\vec {F_{1}}},{\vec {F_{2}}},\ldots ,{\vec {F_{n}}}}$.

• وإذا كانت قوتان متساويتان (${\displaystyle {\vec {F_{1}}}}$ و${\displaystyle {\vec {F_{2}}}}$)

ومتضادتان تعملان على نقطة معينة، تكون محصلتهما مساوية للصفر. عندئذ نقول القوتان متوازنتان. F_2</math>.

وإذا عملت قوتان مختلفتان ${\displaystyle F_{1}}$ و ${\displaystyle F_{2}}$ في اتجاهين متضادين تكون محصلتهما ${\displaystyle F}$ مساوية لحاصل طرح القوة الصغيرة من القوة الكبيرة. وتكون القوة الناتجة في اتجاه القوة الكبيرة ومقدارها هو القيمة المطلقة لحاصل الطرح:

${\displaystyle F=|F_{1}-F_{2}|}$

وإذا عملت قوتان مختلفتي الاتجاه على نقطة نحصل على قيمة واتجاه محصلتهما عن طريق رسم متوازي أضلاع القوى لهما. نرسم القوة ${\displaystyle {\vec {F_{1}}}}$ والقوة ${\displaystyle {\vec {F_{2}}}}$ بمقياس رسم ثابت بحيث يعبر طول السهم الأول عن القوة الأولى واتجاهها. ومن نقطة تأثيرهما نرسم سهما ثانيا مساويا في الطول لقيمة القوة ${\displaystyle {\vec {F_{2}}}}$ مع أخذ الزاوية بينهما في الاعتبار. ثم نرسم موازيا من طرف السهم الأول موازيا للقوة الثانية، ونرسم من طرف القوة الثانية موازيا للقوة الأولى. بذلك نحصل على متوازي أضلاع القوي، وفيه يمثل المحور الواصل بين نقطة تأثير القوتين والنقطة المقابلة لها على متوازي أضلاع القوي هو محصلة القوة . طول المحور هو مقدار المحصلة (بحسب مقياس الرسم) واتجاه المحور يعطينا اتجاه المحصلة.

وإذا عملت ثلاثة قوى في نقطة فيمكن تعيين محصلتهم بسهولة: نرسم متوازي أضلاع القوي لأي اثنين من القوى أولا ونحصل على محصلتهما. ثم نرسم المحصلة التي حصلنا عليها للقوتين الأولتين مع سهم القوة الثالثة، فنحصل على محصلة الثلاثة قوى.

• تحليل القوى:

بينما تعمل قوة الجاذبية ${\displaystyle {\vec {G}}}$ إلى أسفل وتتساوى مع القوة المضادة للوح أفقي، فلا يكون الحال كذلك في حالة جسم موضوع على سطح مائل (انظر الشكل). قوة الجاذبية للكتلة ${\displaystyle {\vec {G}}}$ تعمل راسيا. ويمكن تحليل هذه القوة إلى جزئين: مركبة في اتجاه العمودي على السطح F2، ومركبة F1 في اتجاه موازي للسطح المائل. إذا زادت القوة F1 عن قوة الاحتكاك بين الجسم والسطح ينزلق الجسم متسارعا على السطح ويسقط. من الواضح ان هذا يعتمد على زاوية ميل ألفا السطح الموضوع عليه الجسم.

وتنطبق المعادلة الناتجة عن تحليل القوة:${\displaystyle {\vec {G}}}$:

${\displaystyle {\vec {F_{1}}}+{\vec {F_{2}}}={\vec {G}}}$

ملحوظة: القوتان تعادلان المحصلة في التأثير ولكن ليس عدديا

القوى الأساسية

كل القوى في الكون تنتمي إلى أربعة قوى رئيسية: تآثر قوي وتآثر ضعيف وهما تؤثران على الجسيمات دون الذرية، وتربط بين البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة. هاتان القوتان تعملان على مسافات قصيرة جدا (داخل النواة الذرية). والقوة الكهرومغناطيسية التي تؤثر بين الشحنات الكهربائية، وقوة الجاذبية التي تعتمد على الكتلة وتؤثر بين الأجسام. هاتان القوتان الأخيرتين تؤثر حتى إلى مسافات كبيرة. وتقل شدتهما عكسيا مع مربع المسافة بين جسمين أو بين شحنتين.

رسم للنظام الشمسي (لا يعتمد على المقاييس الحقيقية) يظهر الشمس والكواكب.

قوة الجاذبية مألوفة لنا فهي التي تربط بين الكواكب والشمس، وتربط بين النجوم، وتشكل المجرات وعناقيد المجرات وتشكل الكون كله. وعلى الأرض نشعر بقوة الجاذبية حيث تشدنا الأرض إليها. ونحتاج إلى صواريخ قوية للصعود إلى الفضاء ومغادرة الأرض. وإذا صعدنا إلى محطة الفضاء الدولية تحتفظ الأرض بنا أيضا حيث تجعلنا ندور في مدار حولها.

الجاذبية

أثبت جاليليو أن تسارع الجسم الساقط ثابت بغض النظر عن كتلة هذا الجسم. اليوم يسمى هذا التسارع الناتج عن الجاذبية الأرضية ${\displaystyle {\vec {g}}}$ وقيمته تساوي 9.81 متر لكل ثانية مربعة (عند مستوى سطح البحر) واتجاهه يشير إلى مركز الأرض. هذا يعني أن قوة الجاذبية المؤثرة على جسم ما تتناسب طرديا مع كتلة الجسم. أي أن جسما ذو كتلة m سيخضع لقوة وفقا للعلاقة التالية:

${\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {g}}}$

مصادر

مقالات ذات صلة

• قدرة
• نيوتن (وحدة)

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة الفيزياء