تتبع الحركة الدوَرانية، وَهي أحد أنوَاع الحركة المختلفة التي سنناقشها بالتفصيل خلال هذه المقالة، وَهي أحد فروَع الميكانيكا التي تهتم الفيزياء الحديثة بدراستها. مفهوَمها وَما هي الوَحدات الخاصة للقياس وَحدتهم وَمنْ هوَ مكتشفهم وَأهم القوَانين التي وَضعها لهم للاستفادة منْها وَتنظيم كَيْفَية العمل معهم.
محتويات
حركة دائرية
تُعرَّف الحركة الدوَرانية بأنها جسم يدوَر حوَل مركزه أوَ حوَل مركز جسم آخر، لأنه يعتمد على مقدار عزم الدوَران اللازم للتأثير على هذا الجسم.
يتم التعبير عن الدوَران بشكل عام باستخدام القانوَن التالي عزم الدوَران = القوَة x المسافة x j.
حيث تشير المسافة في هذا القانوَن إلى المسافة بَيّنَ محوَر الدوَران وَالنقطة المتأثرة بالقوَة، حيث يكتسب الجسم الطاقة الحركية للدوَران بالدوَران حوَل المركز عند هذه المسافة، مع مراعاة الزاوَية E، وَهي الزاوَية بَيّنَ القوَة وَالمسافة.
أنوَاع الحركة المختلفة.
لفهم الحركة الدوَرانية بشكل كامل وَمنْاسب، منْ الضروَري أوَلاً تحديد أنوَاع الحركة المختلفة لتمييزها وَالإحاطة بأهم القوَانين التي تنظمها، وَمنْ الأنوَاع الأساسية للحركة ما يلي
حركة دائرية
- إن التعريف الأكثر اكتمالا للحركة الدوَرانية هوَ الحركة التي يكتسبها الجسم عند الدوَران حوَل مركز جسم معين، حيث يتم تطبيق قوَة معينة عليه تحافظ على سرعة هذا الدوَران.
- يعتبر منْ أبسط أنوَاع الحركات التي تسمح للجسم بالتحرك بسرعة ثابتة وَعالية منْ خلال قانوَن ينظمه يتضمنْ حساب المسافة بَيّنَ الجسم وَالمركز وَالقوَة التي تؤثر عليه. الحركة مفيدة في شرح عدد كبير منْ التطبيقات الكوَنية وَالحياتية، وَالتي سنذكر منْها عددًا كبيرًا منْ الأمثلة في الفقرات القليلة القادمة.
حركة تذبذبية
- إنه نتاج تغيير بفاصل زمنْي معين، حيث تتكرر الحركة وَفقًا للوَقت الذي حدثت فيه، وَلمزيد منْ الوَضوَح نأخذ كمثال على هذا النوَع منْ الحركة حركة الساعة، أوَ الحركة منْ ساعة البندوَل.
- تعتمد هذه الحركة على وَجوَد نقطة توَازن، وَهي النقطة التي يحدث عندها تكرار الحركة مع توَقيت بدايتها.
حركة انتقالية
- تُعرف أيضًا نتيجة هذه الحركة التي تحدث في شكل خط مستقيم بالحركة الخطية، حيث تحدث الحركة في اتجاه وَاحد وَبُعد وَاحد، مثل سهم يشير إلى اتجاه محدد وَثابت.
- يرتبط بهذه الحركة علم يسمى علم ديناميكيات الانتقال، وَهوَ أحد علوَم الميكانيكا، وَيستخدم العديد منْ المعادلات وَالقوَانين لهذا النوَع منْ الحركة.
منْ اكتشف حركة الدوَران
يرجع الفضل في اكتشاف جميع قوَانين الحركة الدوَرانية إلى العالم إسحاق نيوَتن، حيث كان أوَل منْ عرض معادلات وَقوَانين أنوَاع مختلفة منْ الحركة التي كانت السبب الرئيسي لفهم وَشرح معظم الظوَاهر الكوَنية التي حدثت. وَلذا لم يكن لدى العلماء سبب علمي قبل ذلك.
- هذا يضيف إلى قدرة هذه القوَانين على المساعدة في التنبؤ بتوَقيت هذه الأحداث وَتجنب التعرض للعديد منْ المشاكل وَالأضرار الناجمة عنها.
- كانت قوَانين نيوَتن للحركة البشرية مفيدة في شرح حركة المقذوَفات الكوَنية وَطبيعة حركة الكوَاكب وَالأجرام السماوَية الأخرى.
أمثلة على الحركة الدوَرانية
منْ السهل التعرف على الحركة الدوَرانية بضرب سلسلة منْ الأمثلة التوَضيحية لها، وَهناك العديد منْ الصوَر لهذه الحركة في مختلف التطبيقات اليوَمية التي تحيط بنا، وَمنْ بَيّنَها ما يلي
- تعد الحركة الدوَرانية في الأجسام الصلبة نوَعًا أكثر تعقيدًا منْ الحركة الخطية التي تحدث داخل الأجسام ذات الكتلة الصلبة وَالتي يمكن أن تبدأ بأسطوَانة الفوَنوَغراف.
- حركة الغازات داخل الشمس. الحركة الدوَرانية تشبه إلى حد بعيد الحركة الخطية، نتيجة لكوَن الشمس كرة ضخمة منْ الغازات، وَليست موَاد صلبة.
- هذا بالإضافة إلى مثال حركة مركز المروَحة الهوَائية على شكل دوَران، حيث أن حركة أذرعها حركة دائرية.
- إن دوَران الأرض حوَل مركزها هوَ أفضل مثال على الحركة الدوَرانية وَهوَ مشابه لحركة غاسل يدوَر حوَل نفسه.
- بالإضافة إلى ما سبق، فإن دوَران العجلة حوَل مركزها، أوَ حركة التيارات عبر الماء، كلها أمثلة عملية على الحركة الدوَرانية.
- أفضل الأمثلة المكتشفة مؤخرًا للحركة الدوَرانية هي حركة الإلكتروَنات حوَل نوَاة الذرة، وَكذلك حركة الأرض وَالكوَاكب الأخرى وَدوَرانها حوَل الشمس.
قوَانين نيوَتن الثلاثة للحركة
سابقًا، تم تحديد مؤلف قوَانين الحركة الثلاثة، العالم إسحاق نيوَتن، وَيبقى لنا أن نتعرف على طبيعة هذه القوَانين التي تعبر عن حركة الدوَران، كل منْها على حدة، في الآتي
قانوَن نيوَتن الأوَل
- المبدأ الأساسي لهذا القانوَن هوَ إثبات أن الجسم الساكن يظل في حالة راحة وَأن الجسم المتحرك يظل في حالة حركة عندما لا توَجد قوَة خارجية تعمل عليه.
- في حالة تأثير قوَة خارجية على الجسم المتحرك، فإنه سيبدأ في التحرك وَستتغير حالته منْ حالة السكوَن إلى الحركة.
- وَبالمثل، إذا تأثر الجوَال بقوَة خارجية تعمل على إيقافه، فسوَف ينتقل منْ حالة الحركة إلى حالة السكوَن.
قانوَن نيوَتن الثاني
- ينص هذا القانوَن على توَضيح مقدار القوَة المؤثرة على جسم متحرك أوَ ثابت لتغيير حالته، حيث يجب أن تكوَن هذه القوَة مساوَية لكتلة هذا الجسم مضروَبة في سرعته وَفقًا للمعادلة التالية القوَة = الكتلة مضروَبة في السرعة.
- طبقًا لهذا القانوَن، هناك فرق بَيّنَ سرعة أي جسم وَقوَة، وَللحصوَل على مقدار هذه القوَة، يجب ضرب كتلة الجسم في كتلته.
- على سبيل المثال، عندما يتعرض جسم ما لقدر ثابت منْ القوَة، فإن سرعته ستتغير أيضًا بمعدل ثابت.
- وَلكن في حالة وَجوَد الجسم في حالة وَتأثر قوَة خارجية به، فإن هذا سيؤدي إلى تحرك الجسم في اتجاه معين مساوٍَ لحجم هذه القوَة.
- بَيّنَما يتجلى تأثير هذه القوَة على الجوَال في زيادة سرعته وَتغير في الاتجاه.
قانوَن نيوَتن الثالث
- أشهر قوَانين الحركة الدوَرانية في التاريخ، وَلكل فعل رد فعل متساوٍَ في المقدار وَمعاكس في الاتجاه.
- توَضيح هذا القانوَن هوَ أنه عندما يتم تطبيق قوَة خارجية على جسمين، فإن تأثير كل منْهما ينتج في شكل قوَة متساوَية وَلكن باتجاهات مختلفة.
- يظل حجم هذه القوَة ثابتًا، وَلكن في اتجاهين متعاكسين، حيث يتلقى كلا الجسمين نفس التأثير الخارجي، لذلك لا يوَجد رد فعل قوَي أوَ ضعيف منْهما.
تطبيق قوَانين نيوَتن الثلاثة للحركة
تحدثنا سابقًا عن بعض الأمثلة على الحركة الدوَرانية في مختلف الظوَاهر الكوَنية، وَبعد التعرف على قوَانين نيوَتن الثلاثة للحركة، سنذكر عددًا منْ التطبيقات العملية التي يمكن استخدامها منْ خلال هذه القوَانين، بما في ذلك ما يلي
- اصطدام السيارة بجسم أثناء الحركة هوَ تطبيق مثالي لقانوَن نيوَتن الأوَل، حيث تتغير حالة السيارة منْ حالة الحركة إلى حالة الراحة، بَيّنَما تتغير حالة الجسم منْ السكوَن إلى الحركة. نتيجة لتأثير قوَة خارجية.
- يتضح قانوَن نيوَتن الثاني للحركة أيضًا في هذا المثال منْ خلال حقيقة أن السيارة تتحرك في خط مستقيم وَلها مقدار ثابت منْ السرعة طالما أنها لا تتأثر بالقوَى الخارجية، وَفي حالة حدوَث تصادم، فإن كلا منْ سرعة وَاتجاه تغيير السيارة.
- يتجلى قانوَن نيوَتن الثالث منْ خلال هذا التطبيق في محاوَلة لإبقاء الركاب داخل هذه السيارة في حالة حركة، بحيث يستديروَن للأمام عند حدوَث تصادم، وَفي حالة أن تكوَن السيارة في حالة راحة وَعند في بداية حركتها، سوَف يستدير الركاب للخلف للحفاظ على السكوَن.
وَحدات قياس زاوَية الدوَران
يعتمد التعرف على وَحدات القياس للحركة الدوَرانية على فهم عدد منْ المفاهيم الفيزيائية وَالقوَانين وَالمعادلات المرتبطة بها، كما هوَ موَضح أدناه
إزالة
- هوَ مقدار التغيير في الزاوَية الذي يحدث عندما يدوَر الكائن، وَيُشار إليه بالرمز θ (سيتا)، وَوَحدة القياس الخاصة به هي الراديان.
- يجب أن يؤخذ اتجاه دوَران هذه الزاوَية في الاعتبار إذا كان عكس اتجاه عقارب الساعة، تكوَن زاوَية الدوَران موَجبة وَإذا كانت عكس اتجاه عقارب الساعة تصبح الزاوَية سالبة.
العلاقة بَيّنَ الإزاحة الزاوَية وَالإزاحة الخطية.
- الإزاحة الخطية، التي يُشار إليها بالرمز (د)، تُقاس بالمتر، وَمعادلتها، التي تعتمد على الإزاحة الزاوَية، هي د = ص θ.
السرعة الزاوَية
- بقسمة الإزاحة الزاوَية على الوَقت المطلوَب للدوَران، تكوَن نتيجة هذا القسمة هي قيمة السرعة الزاوَية، وَالتي يرمز إليها بالرمز ω u (أوَميغا).
- صيغة حساب قيمة هذه السرعة هي Δθ Δt = ω، مما يعني أن السرعة الزاوَية تساوَي حاصل التغير في الموَضع بالتغير في الوَقت، وَوَحدتها راديان / ث (راديان لكل ثانية ).
العلاقة بَيّنَ السرعة الزاوَية وَالسرعة الخطية.
- وَاحدة منْ أهم المفاهيم لفهم الحركة الدوَرانية هي هذه العلاقة حيث يتم قياس السرعة الخطية، وَالتي يرمز إليها بالرمز (v) وَيتم قياسها بوَحدات m / s، بوَاسطة هذه المعادلة v = rω.
- حيث يكوَن مقدار السرعة الخطية مساوَيًا لمقدار السرعة الزاوَية مضروَبًا في مقدار السرعة الزاوَية.
التسارع الزاوَي
- يتم التعبير عنها كمقدار التغيير في السرعة الزاوَية مقسوَمًا على الوَقت الذي حدث فيه هذا التغيير.
- يُشار إلى التسارع الزاوَي بالرمز α، وَقانوَنه هوَ α = Δw Δt، وَيُقاس بوَحدة rad s2.
- إذا كان الجسم يدوَر بسرعة ثابتة، فإن سرعته الزاوَية تساوَي كمية ثابتة لأن تسارعه الزاوَي يساوَي صفرًا.
- توَجد علاقة بَيّنَ التسارع الزاوَي وَالتسارع الخطي يمكن التعبير عنها بالصيغة التالية a = r، حيث يتم قياس التسارع الخطي بـ m s2.
- يشير الرمز a في هذا القانوَن إلى مقدار التسارع الخطي وَيشير الرمز r إلى مقدار نصف الدوَران.
مثال توَضيحي لحساب التسارع وَزاوَية الالتوَاء
بعد معرفة جميع المفاهيم الرياضية المرتبطة بحساب الحركة الدوَرانية، سنقوَم بالتطبيق العملي التالي للخطوَات اللازمة لإيجاد قيمة هذه الحركة
- إذا كنت تريد قياس زاوَية التسارع بدلاً منْ الموَضع المطلوَب أثناء الحركة الدوَرانية، فأنت بحاجة إلى معرفة كَيْفَية تغير الزاوَية مع تغير حركة الكائنات منْ حوَلك.
- لذلك، منْ الضروَري مراعاة حساب كل منْ السرعة الزاوَية (ω) وَالتسارع الزاوَي (α).
- على سبيل المثال، تتحرك السيارة بسرعة 30 م / ث، بَيّنَما تدوَر عجلاتها بسرعة 130 راديان / ثانية.
- حيث يتم حساب التسارع الزاوَي بالتغير في السرعة الزاوَية وَتكوَن وَحدته راديان / ث 2، لذلك مع كل زيادة في هذه الكمية يزداد دوَران العجلات.
- ترتبط السرعة الزاوَية وَالتسارع الزاوَي أيضًا بالعديد منْ المفاهيم الأخرى، مثل طريقة اتصال مسافة القوَس وَمحدداتها هي القوَانين التالية vt = rω، v = rα
أصبحت معرفة مفهوَم الحركة الدوَرانية منْ الأساليب العلمية الحديثة المستخدمة في مختلف الدراسات وَالمنْاهج، بما في ذلك البحث العلمي، نتيجة ارتباطها الوَثيق بتفسير العديد منْ الظوَاهر الكوَنية وَتطبيقات الحياة.