فيديو السؤال: تحديد الشكل الذي يوضح القوى المؤثرة على جسم متحرك توضيحًا صحيحًا الفيزياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

تتسارع كرة وهي تتدحرج لأسفل منحدر، وتستمر في التدحرج على سطح أفقي بسرعة ثابتة، ثم تتسارع مرة أخرى عندما تتدحرج لأسفل منحدر آخر. أي الاختيارات الآتية يوضح القوى المؤثرة على الكرة على فترات زمنية متساوية؟

حسنًا، لدينا هنا ثلاثة أشكال مختلفة مشار إليها بـ (أ) و(ب) و(ج). ويوضح كل من هذه الأشكال موضع الكرة عند فترات زمنية متساوية. توجد ثلاث مراحل مختلفة لحركة الكرة، ويمكننا ملاحظة ذلك بشكل أوضح عند النظر إلى الشكل المعطى في الخيار (ج). يمثل هذا الجزء هنا المرحلة الأولى التي تتدحرج فيها الكرة لأسفل منحدر. ويمكننا ملاحظة أنه في هذه المرحلة من الحركة عند فترات زمنية متساوية، تزداد المسافة التي تقطعها الكرة مع كل فترة زمنية تالية. وذلك لأنه خلال هذه المرحلة من الحركة، تزداد سرعة الكرة في حين تتسارع لأسفل المنحدر.

لدينا بعد ذلك المرحلة الثانية من الحركة حيث تتدحرج الكرة على سطح أفقي. وعلمنا من السؤال أن الكرة تتحرك بسرعة ثابتة في هذا المرحلة. وبالفعل، إذا نظرنا إلى الفترات الزمنية المتساوية الموضح عندها موضع الكرة، فسنلاحظ أن المسافة التي تقطعها الكرة في كل من هذه الفترات الزمنية ثابتة. هذا يعني أن الكرة تتحرك مسافات متساوية في فترات زمنية متساوية. وأخيرًا، لدينا هذا الجزء الذي يمثل المنحدر الآخر. هنا، تتسارع الكرة مرة أخرى. ويمكننا ملاحظة أن مواضع الكرة الموضحة عند هذه الفترات الزمنية المتساوية متماثلة في جميع الأشكال؛ (أ) و(ب) و(ج). الاختلاف الوحيد بين الأشكال الثلاثة هو الأسهم المرسومة على الكرة عند كل لحظة، والتي تمثل القوى المؤثرة على الكرة في تلك اللحظة الزمنية.

مطلوب منا تحديد أي من هذه الأشكال الثلاثة يوضح تلك القوى توضيحًا صحيحًا. ولتحديد ذلك، سيكون من المفيد استرجاع قانون نيوتن الأول للحركة. ينص هذا القانون على أن الجسم الساكن يبقى ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوة غير متوازنة، والجسم المتحرك بسرعة ثابتة يظل في حالة حركة بنفس السرعة ما لم تؤثر عليه أيضًا قوة غير متوازنة. هذا يعني أنه إذا لم تكن هناك قوة غير متوازنة تؤثر على الجسم، أي إذا كانت القوى المؤثرة عليه متوازنة أو لم تكن هناك قوة محصلة، فلن تتغير سرعة هذا الجسم. بعبارة أخرى، إذا لم يكن الجسم في حالة حركة في البداية، أي إذا كان ساكنًا، فسيظل ساكنًا. أما إذا كان الجسم لدينا في حالة حركة ولا تؤثر عليه قوة محصلة، فسيواصل هذا الجسم الحركة بالسرعة الثابتة نفسها.

في هذا السؤال، لدينا كرة تتحرك. ومن ثم، فإن ما يعنينا هو الجزء الثاني من قانون نيوتن الأول المتعلق بالأجسام المتحركة. يمكننا تلخيص هذا الجزء من قانون نيوتن الأول بقولنا إنه إذا لم تكن هناك قوة محصلة تؤثر على جسم متحرك، فإن ذلك الجسم يواصل الحركة بسرعة ثابتة. ووفقًا لذلك، يمكننا استنتاج الآتي. إذا كان لدينا جسم يتحرك بسرعة ثابتة، فإننا نعلم أن القوة المحصلة المؤثرة على ذلك الجسم لا بد أن تساوي صفرًا. وبالتفكير في حركة الكرة، في هذا السؤال، خلال المرحلة الثانية حيث تتدحرج على سطح أفقي، نجد أنها تتحرك بسرعة ثابتة.

إذا نظرنا إلى الشكل المعطى في الخيار (أ)، فسنلاحظ أنه خلال هذه المرحلة من الحركة يوجد متجه قوة على الكرة عند كل لحظة زمنية موضحة. لاحظ أن هناك سهمًا واحدًا فقط مرسومًا على الكرة عند كل موضع يشير إلى اتجاه حركة الكرة. هذا السهم يمثل قوة واحدة غير متوازنة تؤثر على الكرة في هذا الاتجاه. وبما أنه لا توجد قوى أخرى موضحة لموازنة هذه القوة، فوفقًا للشكل الموضح أمامنا في الخيار (أ)، يمكننا قول إن هناك قوة محصلة تؤثر على الكرة في اتجاه حركتها.

ووفقًا لقانون نيوتن الأول للحركة فإننا نعلم أنه إذا كان الجسم يتحرك بسرعة ثابتة، فإن القوة المحصلة المؤثرة عليه لا بد أن تساوي صفرًا. ونحن نعلم من السؤال أن سرعة الكرة ثابتة خلال هذه المرحلة التي تتحرك فيها على السطح الأفقي. هذا يعني أن القوة المحصلة المؤثرة على الكرة خلال حركتها على هذا الجزء الأفقي لا بد أن تساوي صفرًا. وبما أن هذا لا يتوافق مع الشكل الموضح في الخيار (أ)، وبما أنه توجد بالفعل قوة محصلة تؤثر على الكرة في هذه المرحلة من حركتها، يمكننا استبعاد هذا الخيار. وبذلك يتبقى لدينا الشكلان الموضحان في الخيارين (ب) و(ج).

في كلتا الحالتين هنا، أثناء حركة الكرة على الجزء الأفقي، يمكننا ملاحظة وجود قوة محصلة مقدارها صفر تؤثر على الكرة. في الشكل (ب)، القوة المحصلة تساوي صفرًا بسبب عدم وجود أي قوى مرسومة على الكرة أثناء تحركها على السطح الأفقي. أما في الشكل (ج)، يمكننا ملاحظة أن هناك قوتين تؤثران على الكرة عند كل موضع أثناء تحركها على السطح الأفقي. توجد قوة تؤثر لأسفل ممثلة باللون الأحمر، وقوة تؤثر لأعلى ممثلة باللون الأزرق.

دعونا نسترجع أنه عند تمثيل قوة بواسطة سهم، فإن طول ذلك السهم يساوي مقدار القوة. ويمكننا ملاحظة أنه عندما تكون الكرة على المستوى الأفقي، يكون السهم الأحمر والسهم الأزرق متساويين في الطول. هذا يعني أن هاتين القوتين متساويتان في المقدار، ونلاحظ أيضًا أنهما متعاكستان في الاتجاه. يمكننا إذن قول إن هاتين القوتين متوازنتان؛ لأن كلًّا منهما تلغي الأخرى؛ ومن ثم لن تكون هناك قوة محصلة تؤثر على الكرة في هذه المرحلة. إذن ما يمكننا ملاحظته هنا هو أنه وفقًا لقانون نيوتن الأول للحركة، قد يكون أي من الشكلين في الخيارين (ب) و(ج) هو الشكل الصحيح. والسبب وراء ذلك أنه في كلتا الحالتين، يتضح لنا من الشكلين أن القوة المحصلة المؤثرة على الكرة أثناء تحركها بسرعة ثابتة تساوي صفرًا.

حسنًا، لا يمكن لقانون نيوتن الأول مساعدتنا هنا في التمييز بين هذين الشكلين. لكن هناك أمر آخر يمكننا التفكير فيه لمساعدتنا، وهو الجاذبية. تمثل شدة مجال الجاذبية على الأرض بحرف ‪𝑔‬‏ صغير. والجسم الذي كتلته ‪𝑚‬‏ ويقع في مجال جاذبية شدته ‪𝑔‬‏ تكون له قوة وزن ‪𝑊‬‏ تساوي ‪𝑚‬‏ في ‪𝑔‬‏. هذه القوة تؤثر رأسيًّا لأسفل على الجسم في اتجاه مركز كتلة الأرض. وبما أن الكرة في هذا السؤال هي جسم له كتلة، فلا بد أن تؤثر عليها قوة لأسفل نتيجة للجاذبية عند جميع اللحظات الزمنية.

لاحظ أنه في الشكل (ج)، يوجد سهم أحمر مرسوم على الكرة يتجه رأسيًّا لأسفل عند كل لحظة زمنية، وهو يمثل قوة الوزن الناتجة عن الجاذبية. لكن من الواضح أن هذا لا ينطبق على الشكل في الخيار (ب). إذا نظرنا إلى الجزء الأفقي من السطح، فسنرى أنه لا توجد أي قوى تؤثر على الكرة. هذا يعني أن قوة الوزن الناتجة عن الجاذبية غير موضحة هنا. ومن ثم، لا يمكن أن يكون هذا الشكل صحيحًا، ويمكننا استبعاد الخيار (ب). يتبقى لدينا الآن الشكل الموضح في الخيار (ج). لكن دعونا نمسح المعلومات التي أوضحناها على هذا الشكل، ونلق عليه نظرة أخرى للتأكد من أنه الجواب الصحيح.

في الشكل (ج)، نلاحظ أنه عند كل لحظة زمنية توجد قوتان تؤثران على الكرة. ولقد أوضحنا بالفعل أن السهم الأحمر، الذي يتجه رأسيًّا لأسفل عند كل نقطة، يمثل قوة الوزن الناتجة عن الجاذبية.

يوجد لدينا أيضًا السهم الأزرق، الذي يصنع زاوية قياسها 90 درجة مع السطح، أو الذي يكون عموديًّا عليه عند كل نقطة. وهو يمثل قوة رد الفعل العمودية للسطح على الكرة. خلال المرحلة التي تتحرك فيها الكرة على الجزء الأفقي بسرعة ثابتة، تكون قوة رد الفعل العمودية هذه متجهة رأسيًّا لأعلى وتوازن تمامًا القوة المتجهة لأسفل بفعل الجاذبية. أما في المرحلتين الأخريين من الحركة، فعندما تتسارع الكرة لأسفل المنحدر لا يحدث ذلك. خلال هاتين المرحلتين من الحركة، لا يكون السهم الأزرق، الذي يمثل قوة رد الفعل، في الاتجاه المعاكس للسهم الأحمر الذي يمثل قوة الوزن الناتجة عن الجاذبية.

هذا يعني أنه خلال هاتين المرحلتين من الحركة، أي عندما تتسارع الكرة لأسفل المنحدر، لا تكون القوتان متوازنتين، ومن ثم تكون هناك قوة محصلة تؤثر على الكرة. وهذه القوة المحصلة تؤثر في اتجاه المنحدر، ما يجعل الكرة تتسارع في ذلك الاتجاه. يمكننا بوجه عام ملاحظة أن هاتين القوتين الموضحتين في الشكل (ج) منطقيتان تمامًا بالنسبة إلى حركة الكرة. أما بالنسبة إلى الشكل (ب)، فهو يوضح القوة المحصلة المؤثرة على الكرة عند كل لحظة. لاحظ أن هذه القوة المحصلة تساوي صفرًا عندما تكون الكرة على السطح الأفقي، وأنها تؤثر باتجاه المنحدر عندما تتسارع الكرة.

حسنًا، المطلوب منا في السؤال هو تحديد الشكل الذي يوضح جميع القوى المؤثرة على الكرة خلال فترات زمنية متساوية، وليس القوة المحصلة فقط. إذن، يمكننا قول إن الشكل (ج) هو الإجابة الصحيحة.