تتناول موضوع الحركة الدورانية في الفيزياء، حيث يتمثل المفهوم في تغييرات الزاوية (θ). تعني الحركة الدورانية حركة كائن حول محور محدد، كما هو الحال في دوران الأرض حول المحور الممتد من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي، مما يؤدي إلى حدوث ظاهرتي الليل والنهار.
مقدمة في الحركة الدورانية في الفيزياء
يميل الجسم الذي يكون في حالة سكون إلى البقاء ساكنًا، بينما الجسم الذي يتمتع بحركة دورانية يستمر في حركة زاوية ثابتة ما لم يؤثر عليه عزم دوران خارجي، مما يدفعه لتغيير هذه الحركة.
تعريف الحركة
الحركة تعد أحد الخصائص الأساسية في الميكانيكا، وتحظى باهتمام كبير في مجال الفيزياء. حيث قام العلماء بصياغة العديد من القوانين التي توضح مفهوم الحركة وأسباب تغيرها.
تعرف الحركة في علم الفيزياء على أنها التغيير في موقع الجسم أو اتجاهه خلال فترة زمنية معينة. وقد ساهم العالم إسحق نيوتن بشكل كبير في هذا المجال، حيث جمع مجموعة من القوانين التي تفسر العديد من الظواهر الفيزيائية، مما أسس لعلم الميكانيكا الكلاسيكية.
صاغ نيوتن هذه القوانين في ثلاثة قوانين معروفة بقوانين “نيوتن في الحركة”، حيث ربط بين حركة الجسم والقوة المؤثرة عليه والتي أدت إلى حركة هذا الجسم.
قوانين نيوتن في الحركة
يعتبر العالم إسحق نيوتن واحدًا من أبرز العلماء عبر التاريخ، حيث تفسر قوانينه الثلاث طبيعة حركة الأجسام وتفاعلاتها. وقد أحدثت هذه القوانين ثورة في علم الفيزياء منذ حوالي ثلاثة قرون، وتم تأكيد صحتها من خلال تجارب متعددة، ولا تزال تستخدم على نطاق واسع في تفسير حركة الأجسام في الحياة اليومية.
القانون الأول لنيوتن في الحركة
ينص القانون الأول لنيوتن على أن الجسم في حالة السكون يبقى ساكنًا، والجسم المتحرك يستمر في الحركة ما لم تؤثر فيهما قوة خارجية. بمعنى آخر، لا يحدث أي تغيير في حالة الجسم إلا بتأثير قوة من الخارج.
القانون الثاني لنيوتن في الحركة
القانون الثاني ينص على أن القوة المؤثرة على الجسم تعادل حاصل ضرب كتلة الجسم في تسارعه. يمكن التعبير عن هذا القانون بالعلاقة: القوة = الكتلة × التسارع، حيث كلا من القوة والتسارع هما كميتان متجهتان.
يمكن أن تكون القوة مؤثرة بشكل فردي أو كمحصلة قوى، فعند تعويض الجسم بقوة ثابتة، يؤدي ذلك إلى تسارع الجسم. وعند تعرض جسم ساكن لقوة خارجية، سيتسبب ذلك في تسارعه في اتجاه القوة أو نحو محصلة القوى المؤثرة.
إذا كان الجسم في حالة حركة، تؤدي القوة إلى زيادة سرعته أو تقليلها أو تغيير اتجاهه حسب اتجاه القوة.
القانون الثالث لنيوتن في الحركة
ينص القانون الثالث لنيوتن على أنه لكل فعل يوجد رد فعل متساوي له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه. وهذا يعني أن التفاعل بين جسمين يحدث عندما تؤثر قوة أحدهما على الآخر، حيث يرتبط التأثير بين الزوجين من الأجسام.
على سبيل المثال، عندما يدفع جسم جسمًا آخر بقوة معينة، فإن الجسم الأول سيقوم بدفع الجسم الثاني بنفس مقدار القوة في لحظة الدفع. وإذا كان الجسم المؤثر أكبر بكثير من الجسم الآخر، فلن يتأثر الجسم الأكبر بشكل ملحوظ بقوة رد الفعل أو قد يكون التأثير طفيفًا بما يسمح بإغفاله.
تمثيل الحركة وأنواعها
تشمل أنواع الحركة التي تمت دراستها في علم الميكانيكا الحديث الحركة الانتقالية، الحركة الدورانية، والحركة التذبذبية. وفيما يلي تفصيل لكل نوع:
الحركة الانتقالية
تعرف الحركة الانتقالية بأنها الحركة الخطية، حيث يتحرك الجسم في بعد واحد وباتجاه واحد. على عكس الحركة الدورانية التي تدور فيها الأجسام حول محور محدد.
لنفترض رسم سهم على جسم في حالة حركة انتقالية، فإن السهم سيظل يشير إلى نفس الاتجاه رغم ذلك. نظرًا لأن الحركة الانتقالية لا تعني بالضرورة الحركة في خط مستقيم، بل يمكن أن تكون في مسار منحني دون تغيير الاتجاه.
العلم المتخصص في دراسة الحركة الانتقالية هو الديناميكية الانتقالية، ويستخدم مجموعة من القوانين والمعادلات المعتمدة أساسًا على قوانين نيوتن. ومن القوى المؤثرة في الحركة الانتقالية نجد قوة الجاذبية والاحتكاك.
الحركة الدورانية
تعد الحركة الدورانية هي الدوران حول مركز الجسم أو محوره وتعتمد على عزم القوة، الذي يعبر عن مقدار القوة المطلوبة للتأثير على الجسم وتمكينه من الدوران حول محوره. وتُعبر عن ذلك بالعلاقة: العزم = القوة × المسافة × الجيب الزاوي.
المسافة هنا تشير إلى المسافة بين المحور الذي يدور حوله الجسم ونقطة تطبيق القوة. أما الزاوية المطلوبة فهي الزاوية بين القوة والمسافة، مما يجعل الأجسام التي تدور حول محورها تكتسب طاقة حركية.
الحركة التذبذبية
الحركة التذبذبية هي حركة تتكرر بسمة زمنية، مما يعني أن الحركة تعيد نفسها خلال فترة زمنية محددة. من الأمثلة الشائعة على هذه الحركة حركة بندول الساعة، الذي يتحرك بشكل تكراري من اليمين إلى اليسار حول نقطة اتزان معينة.
الحركة الدورانية في الأجسام الصلبة
الحركة الدورانية تتسم بالتعقيد أكثر بالمقارنة مع الحركة الخطية، وسنلقي الضوء هنا على حركة الأجسام الصلبة. الجسم الصلب هو الذي يحمل شكلًا معينًا ويعد له كتلة مثل قرص الفونوغراف، بينما الشمس تعتبر كرة غازية.
تتشابه العديد من معادلات ميكانيكا الأجسام الدوارة مع معادلات الحركة الخطية، مما يسهل فهم وتحليل الحركة الدورانية.
