تعرف محصلة القوى (بالإنجليزية: Total force) في علم الميكانيك بأنها مجموع القوى المؤثرة على جسم ما، حيث يتم إضافة كل قوة بشكل مستقل إلى الآخر.[1]
مقدمة
تعرف القوة بأنها ذلك التأثير الذي يسبب تغير حالة الجسم (تشويه) أو يسبب تحركه (تغير موضع) إن كان ساكناً و
الذي يسبب تغير حركته (تسارع - تباطؤ - توقف) أو اتجاهه إن كان متحركا.
القوة التي تؤثر في جسم صلب ساكن فتحركه دون تشويه:
- تؤثر في نقطة معينة منه تسمى نقطة التأثير.
- تسبب حركته باتجاه معين يسمى جهة القوة.
- تؤثر على الجسم بشدة معينة تسمى شدة القوة.
وهذه هي العناصر التي تتعين بها القوة (عناصر القوة).
فلو تم التأثير على صندوق ساكن بقوة دفع بواسطة يد الشكل (1) , تؤثر اليد في نقطة معينة منه هي نقطة التأثير , وتسبب حركته باتجاه اليمين وهي جهة القوة ,
ومثلا بمقدار 1 نيوتن هي شدة القوة حيث تقدر شدة القوة بنيوتن.
ولذلك اتفق على تمثيل القوة بشعاع لأن القوة عبارة عن شدة وجهة ,
فبداية الشعاع أو نهايته : ستمثل نقطة تأثير القوة .
وجهة الشعاع : ستمثل جهة القوة.
وطول الشعاع : سيمثل شدة القوة.
وبالتالي يصبح تمثيل القوة في المثال السابق كما في الشكل الجانبي (2).
ولكن لو أثرت في الجسم الواحد أكثر من قوة في آن معاً
فسوف تؤثر كل قوة بفعل مافي هذا الجسم وفي نهاية المطاف سوف يكون هناك نتيجة تأثير واحدة هي مجموع أفعال هذه القوى في الجسم ,
وبمعنى آخر : محصلة القوى هي قوة وحيدة تحدث في الجسم الأثر نفسه الذي تحدثه القوى معاً.
وبما أنه تم التعبير عن القوى بأشعة فإذاً يكون مجموع أفعال هذه القوى في الجسم هو عبارة عن جمع أشعة هذه القوى جمعا شعاعياً فينتج الشعاع الممثل
لأفعال كل هذه القوى والذي يسمى محصلة القوى.
ولذلك فإن إيجاد محصلة قوى مؤثرة في جسم ما مهم جدا في الميكانيك . وإيجادها يكون بتعيين عناصرها التي ذكرت سابقا (نقطة التأثير والجهة والشدة),
وطريقة تعيينهم قد تختلف من حالة لأخرى وذلك حسب توضع حوامل القوى (على حامل واحد - أم على حوامل متقاطعة - أم على حوامل متوازية).
طرق جمع المتجهات
من خلال هذه الطرق سنصل إلى شدة القوة المحصلة واتجاهها فقط, ولا يمكن أن تعطينا معلومات عن نقطة التأثير.
الطريقة التحليلية
تعتمد الطريقة التحليلية على تحليل القوى إلى مركباتها, أي ما يسمى الإسقاط على محور السينات(x) ومحور العينات(Y) في حالة المستوي, كما هو موضح في الشكل. حساب المركبات يمكن أن يتم باستخدام القوانين التالية:
المركبة على المحور الأفقي: تحسب باستخدام القانون
المركبة على المحور العمودي: تحسب باستخدام القانون التالي
حيث تمثل القوة المراد تحليلها, بينما تمثل الزاوية بين القوة والقسم الموجب من محور السينات (أي محور x).
نقوم بجمع جميع المركبات الأفقية للقوى المؤثرة للحصول على المركبة الأفقية للقوة المحصلة, وكذلك بالنسبة للمركبات العمودية.
بعد التوصل إلى مركبات القوى المحصلة نحدد شدتها واتجاهها باستخدام القوانين التالية.
الجهة :
الشدة : [2]
تعد الطريقة التحليلية فعالة في حال جمع عدد كبير نسبياً من القوى.
الطريقة البيانية
طريقة مضلع القوى:بشكل عام فـإننا نختار إحدى القوى , ثم نقوم نبدأ بسحب القوى المتبقية واحدة تلو الأخرى بحيث تبدأ كل قوة في النقطة التي انتهت عندها القوة السابقة,مع مراعاة المحافظة على طول الأشعة (المتجهات) واتجاهها عند السحب, في الخطوة الأخيرة نرسم شعاعاً يصل من بداية المتجه الأول إلى نهاية المتجه الأخير ,هذا المتجه يمثل القوة المحصلة بطولها واتجاهها.[2]
الشدة المتمثلة بطول المتجه يمكن قياسها, بالمسطرة على سبيل المثال.
من الجدير بالذكر أن ترتيب جمع القوى لا يؤثر على المحصلة.
الطريقة البيانية التحليلية
عند استخدام الطريقة البيانية للحصول على محصلة قوتين متلاقيتين باستخدام مضلع القوى ينتج مثلث القوى وبالتالي فإنه من الممكن الحصول على المحصلة حسابياً باستخدام قوانين المثلثات دون الحاجة لقياس الطول بالمسطرة على سبيل المثال وكذلك بالنسبة إلى متوازي أضلاع القوى, الذي لا يختلف في المبدأ عن مثلث القوى, فلو سحبنا القوة كما هو موضح في الشكل سنحصل على متوازي أضلاع القوى , وبالتالي فإن ستخدام أي منهما سيؤدي إلى الغرض ذاته.[3]
نقطة التأثير: إذا كانت جميع القوى تؤثر في نقطة واحدة فإن القوى المحصلة تؤثر أيضاً في هذه النقطة, أما إذا كانت القوى متوازية, فيمكن حساب نقطة التأثير باستخدام قانون عزوم القوى.
أمثلة
القوتين بجهة واحدة | القوتين بجهتين متعاكستين |
|
|
القوى بجهة واحدة | القوى بجهات مختلفة |
. |
نوجد محصلة القوى في كل جهة على حدة فننتقل لحالة قوتين على حامل واحد بجهتين متعاكستين |
الطريقة البيانية ( أي باستخدام مسطرة وتحديد مقياس رسم ) | الطريقة البيانية التحليلية | الطريقة التحليلية (تحليل القوتين إلى مساقط ) |
الجهة من بداية الشعاع الأول إلى نهاية الشعاع الثاني.
نهاية الشعاع الثاني, يقاس بالمسطرة وتستنتج الشدة من مقياس الرسم . |
الرأس المقابل. في حال رسم مثلث فهي : من بداية الشعاع الأول إلى نهاية الشعاع الثاني.
ضلع مجهول في المثلث فيتم حسابها باستخدام قوانين المثلثات . كمثال إذا علمت شدتي القوتين والزاوية بينهما يستخدم قانون التجيب لحساب شدة المحصلة :
|
زاوية المحصلة الذي يساوي مسقط المحصلة العيني على مسقط المحصلة السيني : tan αR = → αR
ملاحظة : نكتب R أو FR وكذلك Rx أو FRx |
متقاطعة في مستو | متقاطعة في فراغ | ||
---|---|---|---|
الطريقة البيانية (رسم مضلع قوى .) أو الطريقة التحليلية (تحليل القوى إلى مساقط في مستو) | الطريقة التحليلية (تحليل القوى إلى مساقط في الفراغ) | ||
|
محور العينات βR أو محور الصادات R. ونحسبها باستخدام تجيب هذه الزوايا عن طريق العلاقات : cosαR = →αR cosβR = →βR cosR = → R
ملاحظة : نكتب R أو FR وكذلك Rx أو FRx |
القوتين بجهة واحدة | القوتين بجهتين متعاكستين |
---|---|
القوتين وأقرب إلى القوة الأكبر وتحقق العلاقة : F1 × d1 = F2 × d2 فبحساب d1 أو d2 (حيث كل منهما يعبر عن بعد إحدى القوتين عن المحصلة )نتمكن من تحديد نقطة تأثير المحصلة.
|
القوتين وأقرب إلى القوة الأكبر وتحقق العلاقة : F1 × d1 = F2 × d2
|
القوى بجهة واحدة | القوى بجهات متعاكسة |
وقانون عزم قوة حول نقطة = القوة × الذراع (البعد العمودي بين القوة والنقطة) حيث : نختار نقطة ويفضل أن يكون مار بها إحدى القوى (من أجل اختصار عزم حيث ينعدم عزم القوة في النقطة المارة بها بسبب انعدام الذراع) ونطبق النظرية كالتالي : شدة المحصلة × الذراع dR (والذي يمثل البعد بين نقطة تأثير المحصلة والنقطة المختارة التي نحسب العزوم حولها )= مجموع عزوم القوى حول تلك النقطة. فلو اخترنا حساب العزوم حول النقطة C نكتب : FR × dR = (F1 × ac )+( F2 × bc) + (F3 × 0) ومن هذه العلاقة يمكن حساب ذراع المحصلة dR أي البعد بين النقطة المختارة C ونقطة التأثير أي نكون بذلك تحدد نقطة التأثير. |
في الصورة حددنا جهة موجبة اختيارية ومنه : F1 - F2 - F3 + F4 = 3-2-4+1 = -2 الناتج سالب فجهة المحصلة عكس الجهة الاختيارية
FR = |F1 - F2 - F3 + F4| = |3 - 2 - 4 + 1| = 2
حول نقطة تساوي مجموع عزوم تلك القوى حول تلك النقطة): لنحسب العزوم حول النقطة e : FR × dR = (F1 × ae)-(F2 × be)-(F3 × ce)+(F4 × 0) ومن هذه العلاقة نستنتج dR أي بعد المحصلة عن النقطة المختارة e وبذلك نحدد نقطة التأثير. |
هي حالة خاصة من توازي القوى فهي عبارة عن قوتين متوازيتين حاملاً متعاكستين جهةً متساويتين شدةً وبالتالي تكون شدة محصلتهما طرحهما أي تساوي الصفر. إذا : محصلة أي مزدوجة تكون معدومة ولذلك لاتسبب حركة انسحابية للجسم وإنما فقط فعل تدويري نسميه عزم المزدوجة |
المراجع
- (Benson 2009, p. 27)
- C., Giancoli, Douglas (2010). Physik : Lehr- und Übungsbuch (الطبعة 3., erw. Aufl). München: Pearson Studium. . OCLC 488690414. مؤرشف من الأصل في 13 ديسمبر 2019.
- Technische Mechanik (الطبعة 6. Aufl). Berlin [u.a.]: Springer. 1998. . OCLC 62043913. مؤرشف من الأصل في 13 ديسمبر 2019.
- شرح درس القوى المتوازية المستوية - الرياضيات: الميكانيكا - الثانوية العامة - نفهم, مؤرشف من الأصل في 13 ديسمبر 2019,09 نوفمبر 2017
- ( كتاب إلكتروني PDF ) https://web.archive.org/web/20171110114721/http://moed.gov.sy/uploads/pdf-curricula/0-9/physics-chemistry.pdf. مؤرشف من الأصل ( كتاب إلكتروني PDF ) في 10 نوفمبر 2017.