نسخة الفيديو النصية
حمل طفل زلاجة إلى قمة تل منتظم الانحدار. وضع الطفل الزلاجة على المنحدر؛ حيث ثبتت في مكانها بفعل الاحتكاك، وصعد الطفل الزلاجة بحذر. كاد وزن الطفل مع الزلاجة لا يكفي لبدء حركتها وانزلاقها إلى أسفل التل. تحركت الزلاجة 25 مترًا على طول المنحدر. كانت طاقة وضع الجاذبية للطفل والزلاجة عند قمة التل 3500 جول، وعند أسفل التل كانت تساوي صفرًا. وكانت طاقة الحركة للطفل والزلاجة عندما وصلا إلى قاعدة التل تساوي 3125 جول. ما متوسط قوة الاحتكاك التي أثر بها التل على الزلاجة خلال حركتها؟
للإجابة عن هذا السؤال، علينا التفكير في عملية تحول الطاقة التي تحدث عندما يتحرك الطفل إلى أسفل التل. هيا نبدأ باستعراض المعلومات المعطاة لنا في السؤال.
في قمة التل، كانت طاقة وضع الجاذبية للطفل والزلاجة معًا تساوي 3500 جول. عند هذه النقطة كانت الزلاجة ساكنة، ومن ثم فإن طاقة الحركة يجب أن تساوي صفرًا. وفي أسفل التل، كانت طاقة الحركة للطفل والزلاجة معًا تساوي 3125 جول، ولكن طاقة وضع الجاذبية كانت تساوي صفرًا. حسنًا، قبل مواصلة الحل، دعونا نفرغ بعض المساحة بالقرب من الجزء العلوي هنا.
لعلنا نتذكر أن الطاقة الميكانيكية لجسم ما تساوي مجموع طاقة وضع الجاذبية وطاقة الحركة. عند قمة التل، الطاقة الميكانيكية للطفل والزلاجة تساوي 3500 جول زائد صفر جول، أي ما يساوي ببساطة 3500 جول. وعند أسفل التل، الطاقة الميكانيكية تساوي صفر جول زائد 3125 جول، أي ما يساوي ببساطة 3125 جول. إذا قارنا هاتين القيمتين، فسنلاحظ أن الطاقة الميكانيكية للطفل والزلاجة عند قمة التل أكبر من الطاقة الميكانيكية لهما عند أسفل التل.
نعلم أنه في أي نظام مغلق تكون الطاقة محفوظة دائمًا. إذن، كيف نفسر الفرق بين هاتين القيمتين؟ حسنًا، نعلم أن هناك بعض الاحتكاك بين الزلاجة والتل. والاحتكاك هو قوة تؤثر في الاتجاه المعاكس لحركة الجسم. تبذل قوة الاحتكاك شغلًا على الجسم وتؤدي إلى تقليل طاقة حركته. وهذا يعني تبدد بعض الطاقة. وتكون كمية الطاقة المبددة مساوية للشغل المبذول بواسطة قوة الاحتكاك. وهذا الشغل يساوي ببساطة الفرق بين الطاقة الميكانيكية الابتدائية للطفل والزلاجة والطاقة الميكانيكية النهائية لهما. ومن ثم، فإن الشغل المبذول بواسطة قوة الاحتكاك يساوي 3500 جول ناقص 3125 جول. وهذا يعني أن الشغل المبذول بواسطة قوة الاحتكاك يساوي 375 جول.
بعد ذلك، علينا إيجاد متوسط مقدار قوة الاحتكاك بين التل والزلاجة. لفعل ذلك علينا تذكر معادلة الشغل المبذول بواسطة قوة ما. الشغل المبذول 𝑊 يساوي متوسط القوة 𝐅 المؤثرة على الجسم مضروبة في المسافة 𝑑 التي تحركها الجسم. لإيجاد متوسط قوة الاحتكاك علينا ببساطة إعادة ترتيب هذه المعادلة لجعل 𝐅 في طرف بمفردها. ويمكن فعل ذلك بقسمة طرفي المعادلة على 𝑑. هذا يعطينا المعادلة: 𝐅 تساوي 𝑊 على 𝑑.
الخطوة الأخيرة هي التعويض بقيمتي 𝑊 و𝑑 في هذه المعادلة. لقد حسبنا بالفعل الشغل المبذول 𝑊 بواسطة القوة ووجدنا أنه يساوي 375 جول. أخبرنا السؤال أن الزلاجة تحركت 25 مترًا على طول المنحدر، إذن هذه هي قيمة 𝑑. بالتعويض بهاتين القيمتين، نجد أن متوسط قوة الاحتكاك يساوي 375 جول مقسومًا على 25 مترًا. وهذا يعطينا الإجابة وهي 15 نيوتن.
يؤثر التل على الزلاجة خلال حركتها بمتوسط قوة احتكاك 15 نيوتن. إذن، الإجابة النهائية لهذا السؤال هي 15 نيوتن.
