العلوم الفيزيائية🎓 هدف البكالوريا

تطور جملة ميكانيكية

حركة قذيفة في حقل الجاذبية و حركة مركز عطالة جسم خاضع لعدة قوى

🔊 المعلّمة تقرأ لك
لاعب يقذف كرة حديدية بزاوية عن الأفق فترسم في الهواء قوسا ثمّ تسقط على بعد أمتار، وفي المخبر نترك جسمين مربوطين بخيط يمرّ على بكرة فينطلقان بتسارع ثابت. كيف نتوقّع مسار جسم متحرّك، وموضعه وسرعته عند أيّ لحظة، انطلاقا من القوى المطبّقة عليه ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تكتب المعادلتين التفاضليتين لحركة قذيفة على المحورين وتستنتج طبيعة الحركة على كلّ منهما
  • أن تستنتج المعادلات الزمنية للسرعة وللموضع، ثمّ معادلة المسار بحذف الزمن
  • أن تحسب المدى وإحداثيّي الذروة انطلاقا من شرطين بسيطين
  • أن توظّف انحفاظ الطاقة الميكانيكية لحساب سرعة القذيفة عند نقطة معلومة
  • أن تطبّق القانون الثاني لنيوتن على جملة من جسمين مربوطين، وعلى جسم فوق مستو مائل
  • أن تستغلّ بيانا تجريبيّا يعطي التسارع بدلالة جيب زاوية الميل لتعيين كتلة وقوّة احتكاك
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • القانون الثاني لنيوتن وإسقاط علاقة شعاعية على محورين
  • المعادلتان الزمنيتان لحركة السقوط الحر والشروط الابتدائية
  • الطاقة الحركية والطاقة الكامنة الثقالية لجملة جسم-أرض

❓إشكالية: في السقوط الحر كانت الحركة على محور واحد. أمّا هنا فالقذيفة تتقدّم أفقيّا وتصعد ثمّ تنزل في الوقت نفسه. هل نحتاج إلى قانون جديد ؟ لا: نحتاج إلى أن نفكّك الحركة الواحدة إلى حركتين مستقلّتين، كلّ واحدة على محورها.

الجزء الأوّل: حركة قذيفة في حقل الجاذبية

نسمّي قذيفة كلّ جسم يُطلَق بسرعة ابتدائية ثمّ يُترك لثقله وحده. نبدأ بالنظر إلى ما يفعله فعلا، قبل أن نكتب أيّ معادلة.

نشاط 1: ماذا يفعل المسار عندما نقذف جسما بزاوية عن الأفق ؟

📌التجربة:

  1. نضبط قاذفا صغيرا على حافّة طاولة بحيث يقذف كرية بزاوية معلومة عن الأفق.
  2. نضع خلف مستوى الحركة لوحة مربّعات متساوية تسمح بقراءة المواضع.
  3. نصوّر الحركة بتصوير متعاقب: صورة كلّ عشرين جزءا من الثانية.
  4. نرقّم المواضع المتتالية لمركز الكرية، ثمّ نقيس على اللوحة الانتقال الأفقي والانتقال الشاقولي بين كلّ موضعين متتاليين.

🔍الملاحظة: الانتقال الأفقي بين كلّ موضعين متتاليين ثابت طوال الحركة. أمّا الانتقال الشاقولي فيتناقص عند الصعود، وينعدم تقريبا عند أعلى نقطة، ثمّ يتزايد عند النزول. والمواضع مجتمعة ترسم قوسا متناظرا حول شاقول أعلى نقطة.

القياس وحده يفصل: أفقيّا لا شيء يتغيّر، شاقوليّا كلّ شيء يتغيّر.
الحركة الواحدة تنقسم إلى حركتين مستقلّتين: حركة مستقيمة منتظمة على المحور الأفقي، وحركة مستقيمة متغيّرة بانتظام على المحور الشاقولي.

دراسة حركة مركز عطالة القذيفة

نُخضع هذه المشاهدة للقانون الثاني لنيوتن. الجملة هي الجسم المقذوف، والمرجع أرضي نفترضه عطاليّا، والمعلم مبدؤه نقطة القذف ومحوره الأوّل أفقي والثاني شاقولي موجّه نحو الأعلى. وبإهمال احتكاك الهواء، لا تبقى إلّا قوّة خارجية واحدة: الثقل.

الشعاعان المتساويان يقولان كلّ شيء: القوّة نفسها عند الصعود وعند النزول.
القانون الثاني لنيوتن
ΣFext = m × aG
الجملة خاضعة للثقل وحده
m × g = m × aG

نُسقط هذه العلاقة الشعاعية على المحورين. الثقل شاقولي، فليس له أيّ مركّبة على المحور الأفقي، وله على المحور الشاقولي مركّبة سالبة لأنّ المحور موجّه نحو الأعلى:

الإسقاط على المحور الأفقي
ax = 0
الإسقاط على المحور الشاقولي
az = − g
مبدأ: انعدام مركّبة القوّة على محور يعني انعدام التسارع عليه، أي حركة مستقيمة منتظمة. وثبات المركّبة على المحور الآخر يعني تسارعا ثابتا، أي حركة مستقيمة متغيّرة بانتظام: متباطئة عند الصعود لأنّ القوّة تعاكس الحركة، ومتسارعة عند النزول لأنّها ترافقها.

المعادلات الزمنية على المحورين

نُكامل على كلّ محور على حدة، والشروط الابتدائية هي مركّبتا السرعة الابتدائية وإحداثيّا نقطة الانطلاق:

المعادلة التفاضلية للسرعة الأفقية
dvxdt = 0
المعادلة الزمنية للسرعة الأفقية
vx(t) = v0 cos α
v0طويلة شعاع السرعة الابتدائية(m/s)αالزاوية بين شعاع السرعة الابتدائية والأفق(rad)
المعادلة الزمنية للفاصلة
x(t) = v0 t cos α
المعادلة التفاضلية للسرعة الشاقولية
dvzdt = − g
المعادلة الزمنية للسرعة الشاقولية
vz(t) = − g t + v0 sin α
المعادلة الزمنية للارتفاع
z(t)=− (12) g t2 + v0 t sin α + z0
البيانات الزمنية الأربعة: على المحور الأفقي سرعة ثابتة وفاصلة تتزايد بانتظام؛ وعلى المحور الشاقولي تسارع ثابت وسرعة تتناقص ثمّ تغيّر إشارتها عند الذروة.
طويلة شعاع السرعة عند اللحظة t
v(t)=√((v0 cos α)2 + (− g t + v0 sin α)2)
طول الشعاع الأفقي لا يتغيّر أبدا: هذه هي صورة انعدام التسارع الأفقي.

معادلة المسار

المعادلتان الزمنيتان تعطيان الموضع بدلالة الزمن. لكن ما نراه في الصورة ليس الزمن، بل شكل المسار. للحصول عليه نستخرج الزمن من إحدى المعادلتين ونعوّضه في الأخرى:

استخراج الزمن من معادلة الفاصلة
t = xv0 cos α
معادلة المسار
z(x)=− g x22 v02 cos2 α + x tan α + z0
نتيجة: معادلة المسار من الدرجة الثانية في الفاصلة ومعاملها الأوّل سالب: مسار القذيفة قطع مكافئ محدّب نحو الأسفل. ولا يظهر الزمن فيها: إنّها تصف الشكل، لا الجدول الزمني.

المدى والذروة

سؤالان يتكرّران في كلّ مسألة قذيفة: إلى أيّ مسافة أفقية تصل، وإلى أيّ ارتفاع ترتفع. لكلّ واحد شرط واحد يكفي لحلّه.

شرط بلوغ المدى
z(xP) = 0
xPالمدى: أقصى مسافة أفقية تبلغها القذيفة(m)
المدى عند الانطلاق من سطح الأرض
xP = v02 sin(2α)g
شرط بلوغ الذروة
vz(tS) = 0
تاريخ بلوغ الذروة
tS = v0 sin αg
فاصلة الذروة
xS = v02 sin α cos αg
ارتفاع الذروة
zS = v02 sin2 α2 g + z0
المنهجية كلّها في ثلاث لقطات: أين تنطلق، متى تصل، وأين تعلو.
لا تحفظ عبارة المدى: احفظ الشرط الذي تولد منه. عبارة المدى المكتوبة أعلاه لا تصلح إلّا إذا كان الانطلاق من سطح الأرض؛ فإن كان الانطلاق من ارتفاع، عُد إلى معادلة المسار وحُلّ معادلة الدرجة الثانية.
مثال 1: السرعة الابتدائية لكرة حديدية في مسابقة رمي

خلال بطولة لألعاب القوى، قذف بطل كرة حديدية من ارتفاع معلوم فوق سطح الأرض بسرعة ابتدائية تصنع زاوية معلومة مع الأفق، فقطعت مسافة أفقية معلومة قبل أن تلمس الأرض. نأخذ مبدأ المحور الشاقولي على سطح الأرض ونهمل احتكاك الهواء.

🎯المطلوب: أوجد عبارة السرعة الابتدائية بدلالة المدى وزاوية القذف وارتفاع الانطلاق، ثمّ احسب قيمتها

📌المعطى
h = 1,80 m ; α = 45° ; x1 = 19,43 m ; g = 10 ms2
🔹الخطوة 1: معادلة المسار في هذه الشروط

لأنّ كلّ المعطيات مواضع ولا يوجد فيها زمن: فالمسار هو العلاقة الوحيدة التي تربط بينها دون المرور بالزمن

z(x)=− g x22 v02 cos2 α + x tan α + h
🔹الخطوة 2: شرط الوصول إلى الأرض

لأنّ نقطة السقوط تقع على سطح الأرض، وقد اخترنا مبدأ المحور الشاقولي على هذا السطح: فارتفاعها معدوم

z(x1) = 0
🔹الخطوة 3: استخراج السرعة الابتدائية

لأنّ الحدّ الوحيد الذي تظهر فيه السرعة الابتدائية هو الحدّ الأوّل: نعزله في طرف ثمّ نأخذ الجذر

v0=(x1cos α) × √(g2 (x1 tan α + h))
🔹الخطوة 4: التعويض العددي

لأنّ الزاوية تساوي خمسا وأربعين درجة، فجيب تمامها يساوي 0,707 وظلّها يساوي 1

v0=(19,430,707) × √(102 × 21,23)
✅النّتيجة

لأنّ هذه هي السرعة التي غادرت بها الكرة يد الرامي، وهي المدخل الوحيد لحساب كلّ ما يأتي بعدها: الارتفاع والسرعة عند السقوط

v0 = 13,3 ms
تحقّق دائما من قيمتك بإعادة حقنها في معادلة المسار: إن لم تُعطِك ارتفاعا معدوما عند المدى، فالقيمة خاطئة مهما بدا الحساب سليما.
مثال 2: الارتفاع الأعظمي الذي تبلغه الكرة

نواصل مع الكرة الحديدية نفسها، بعد أن صارت سرعتها الابتدائية معلومة.

🎯المطلوب: احسب الارتفاع الأعظمي الذي تبلغه الكرة فوق سطح الأرض

📌المعطى
v0 = 13,3 ms ; α = 45° ; h = 1,80 m ; g = 10 ms2
🔹الخطوة 1: شرط بلوغ الذروة

لأنّ الكرة تتوقّف عن الصعود في اللحظة التي تنعدم فيها مركّبتها الشاقولية: هذا هو الشرط الذي يعرّف الذروة

vz(tS) = 0
🔹الخطوة 2: عبارة ارتفاع الذروة

لأنّ التعويض بتاريخ الذروة في المعادلة الزمنية للارتفاع يعطي عبارة لا يظهر فيها الزمن، بل السرعة والزاوية وارتفاع الانطلاق فقط

H = v02 sin2 α2 g + h
🔹الخطوة 3: التعويض العددي

لأنّ مربّع جيب خمس وأربعين درجة يساوي 0,5، فيصير التعويض مباشرا

H=(13,3)2 × 0,52 × 10 + 1,80
✅النّتيجة

لأنّ هذا هو أقصى ارتفاع تبلغه الكرة فوق سطح الأرض، وهو يفوق ارتفاع الانطلاق بنحو أربعة أمتار ونصف

H = 6,2 m
لا تخلط بين ارتفاع الانطلاق وارتفاع الذروة: الأوّل معطى في نصّ التمرين والثاني محسوب. الفرق بينهما هو ما ربحته الكرة بفضل سرعتها الابتدائية وحدها.
مثال 3: سرعة الكرة عند السقوط وزاوية وصولها

الكرة نفسها، عند اللحظة التي تلمس فيها سطح الأرض. نستعمل هنا طريقا آخر غير المعادلات الزمنية: انحفاظ الطاقة الميكانيكية بين نقطة الانطلاق ونقطة السقوط.

🎯المطلوب: احسب طويلة شعاع السرعة عند نقطة السقوط، ثمّ حدّد الزاوية التي يصنعها هذا الشعاع مع المحور الأفقي

📌المعطى
v0 = 13,3 ms ; h = 1,80 m ; g = 10 ms2 ; vx = 9,40 ms
🔹الخطوة 1: انحفاظ الطاقة الميكانيكية

لأنّ الاحتكاك مهمل، فلا شيء يأخذ من الجملة ولا يعطيها: الطاقة الميكانيكية تبقى على قيمتها الابتدائية طوال الحركة

Em(0) = Em(C)
🔹الخطوة 2: كتابة الانحفاظ بالمقادير

لأنّ الطاقة الكامنة الثقالية تنعدم عند سطح الأرض، فلا يبقى في نقطة السقوط إلّا طاقة حركية

(12) m v02 + m g h = (12) m vC2
🔹الخطوة 3: اختزال الكتلة والتعويض

لأنّ الكتلة تظهر في كلّ الحدود فتُختزل: وهذا يعني أنّ سرعة الوصول لا تتعلّق بكتلة الكرة، وهي النتيجة نفسها التي وجدناها في السقوط الحر

vC=√(v02 + 2 g h)=√((13,3)2 + 2 × 10 × 1,80)
🔹الخطوة 4: جيب تمام زاوية الوصول

لأنّ المركّبة الأفقية لم تتغيّر منذ القذف، فهي وطويلة السرعة يعطيان جيب تمام زاوية الوصول مباشرة

cos β=vxvC=9,4014,6=0,644
✅النّتيجة

لأنّ زاوية الوصول تفوق زاوية القذف: الكرة تنزل أكثر انحدارا ممّا صعدت، لأنّها انطلقت من فوق سطح الأرض وسقطت عليه

vC = 14,6 ms ; β ≈ 50°
انحفاظ الطاقة يعطي طويلة السرعة في سطر واحد، لكنّه لا يعطي جهتها أبدا: للجهة عُد دائما إلى المركّبات. استعمل الطريقتين معا، كلّ واحدة فيما تُحسنه.
ارتفاعان لا يُخلط بينهما: ⁦h⁩ معطى و ⁦H⁩ محسوب؛ وزاوية الوصول ⁦β⁩ تفوق زاوية القذف ⁦α⁩ لأنّ الكرة انطلقت من فوق سطح الأرض وسقطت عليه.

حالتان خاصّتان: القذف الأفقي والقذف الشاقولي

العلاقات السابقة عامّة. ويكفي أن نعوّض الزاوية بقيمتها لنستخرج منها الحالتين اللتين تتكرّران في التمارين:

✅النّتيجة: الحالتان الخاصّتان
الحالةعلى المحور الأفقيعلى المحور الشاقوليمعادلة المسار
قذف أفقي⁦x(t) = v0 t⁩⁦z(t) = − (12) g t2 + z0⁩⁦z(x) = − g x22 v02 + z0⁩
قذف شاقوليلا حركة⁦z(t) = − (12) g t2 + v0 t + z0⁩لا مسار: الحركة على مستقيم
لا معادلات جديدة هنا: الزاوية وحدها هي التي تغيّرت.
بعض المراجع تدرس القذف الأفقي بمحور شاقولي موجّه نحو الأسفل، فيصير التسارع موجبا وتُقلَب إشارات كلّ الحدود. الحركة هي نفسها والنتائج هي نفسها؛ ما تغيّر هو الاصطلاح. أعلن دائما اتّجاه محورك في أوّل سطر من حلّك، والتزم به.
بمحور موجّه نحو الأسفل يصير التسارع موجبا وتنقلب الإشارات؛ الحركة واحدة، والاصطلاح وحده تغيّر.

تطبيق مبدأ انحفاظ الطاقة على القذيفة

نأخذ الجملة جسم-أرض في مرجع أرضي عطالي، والاحتكاك مهمل. الجملة لا تكتسب طاقة من الخارج ولا تقدّم طاقة للوسط الخارجي، فطاقتها الميكانيكية محفوظة:

الطاقة الحركية
EC = (12) m v2
الطاقة الكامنة الثقالية
EPP = m × g × z
الطاقة الميكانيكية
Em = EC + EPP
انحفاظ الطاقة الميكانيكية
Em(t) = Em(0)
ما يفقده أحد المنحنيين يكسبه الآخر بالضبط: لهذا كان المجموع أفقيّا.
الطاقة الحركية عند الذروة
EC(tS) = (12) m (v0 cos α)2
مبدأ: الطاقة الحركية للقذيفة لا تنعدم أبدا عند الذروة، لأنّ المركّبة الأفقية للسرعة تبقى ثابتة طوال الحركة. ما ينعدم عند الذروة هو المركّبة الشاقولية وحدها.

الجزء الثاني: حركة مركز عطالة جسم خاضع لعدّة قوى

في القذيفة كانت قوّة واحدة. أمّا الآن فالجسم يلامس سطحا، فيظهر ردّ فعل السطح وقوّة الاحتكاك، وقد يُشدّ بخيط فيظهر توتّره. المنهجية لا تتغيّر: جملة، مرجع، معلم، حصيلة القوى، القانون الثاني، ثمّ إسقاط.

جسمان مربوطان بخيط يمرّ على بكرة

التوتّر يحمل الاسم نفسه على الجانبين: الخيط عديم الامتطاط والبكرة مهملة الكتلة.

نطبّق القانون الثاني لنيوتن على مركز عطالة كلّ جزء على حدة، ثمّ نُسقط. الجسم الموضوع على المستوي يتحرّك أفقيّا، والجسم المعلّق ينزل شاقوليّا، ولهما التسارع نفسه لأنّ الخيط عديم الامتطاط:

الإسقاط على الجسم الموضوع على المستوي
− f + T = m1 a
Tشدّة توتّر الخيط(N)fشدّة قوّة احتكاك السطح الصلب(N)
الإسقاط على الجسم المعلّق
m2 g − T = m2 a
التسارع بجمع العلاقتين
a=m2 g − fm1 + m2
توتّر الخيط
T = m2 (g − a)
ردّ فعل المستوي الأفقي
R = m1 g
نتيجة: التسارع مقدار ثابت لأنّ كلّ ما يدخل في عبارته ثابت. إذن الحركة مستقيمة متغيّرة بانتظام، ويحقّ لنا أن نستعمل لها العلاقة المستقلّة عن الزمن.
تسارع ثابت يعني سرعة تتغيّر بالمقدار نفسه في كلّ ثانية: هذه علامة الحركة المستقيمة المتغيّرة بانتظام على البيان.
العلاقة المستقلّة عن الزمن
v2 − v02 = 2 a d
dالمسافة المقطوعة على المسار(m)
مثال 4: تسارع جملة من جسمين وتوتّر الخيط الرابط بينهما

جسم موضوع على مستوٍ أفقي مربوط بخيط يمرّ على بكرة مهملة الكتلة ويحمل في طرفه الآخر جسما معلّقا. نحرّر الجملة من السكون، والاحتكاك على المستوي يكافئ قوّة ثابتة تعاكس الحركة.

🎯المطلوب: احسب تسارع الجملة وتوتّر الخيط، ثمّ احسب سرعة الجسمين بعد قطع مسافة معلومة

📌المعطى
m1 = 0,60 kg ; m2 = 0,40 kg ; f = 1,2 N ; d = 0,50 m ; g = 9,8 ms2
🔹الخطوة 1: القانون الثاني على الجسم الأوّل

لأنّ الجسم الموضوع على المستوي يخضع أفقيّا إلى قوّتين فقط: توتّر الخيط يسحبه والاحتكاك يعاكسه

− f + T = m1 a
🔹الخطوة 2: القانون الثاني على الجسم الثاني

لأنّ الجسم المعلّق يخضع شاقوليّا إلى ثقله نحو الأسفل وتوتّر الخيط نحو الأعلى، ونوجّه المحور في جهة الحركة أي نحو الأسفل

m2 g − T = m2 a
🔹الخطوة 3: جمع العلاقتين ثمّ التعويض

لأنّ التوتّر يظهر بإشارتين متعاكستين في العلاقتين: فجمعهما يحذفه ويترك التسارع وحده مجهولا

a=m2 g − fm1 + m2=0,40 × 9,8 − 1,20,60 + 0,40
🔹الخطوة 4: توتّر الخيط

لأنّ التسارع صار معلوما، فالتوتّر يُقرأ مباشرة في العلاقة الثانية دون حاجة إلى الأولى

T=m2 (g − a)=0,40 × (9,8 − 2,72)
🔹الخطوة 5: السرعة بعد المسافة المقطوعة

لأنّ الحركة مستقيمة متغيّرة بانتظام والانطلاق من السكون: تعطي العلاقة المستقلّة عن الزمن السرعة دون حساب المدّة

v=√(2 a d)=√(2 × 2,72 × 0,50)
✅النّتيجة

لأنّ هذه هي الحصيلة الكاملة للجملة: تسارع ثابت، وتوتّر أصغر من ثقل الجسم المعلّق، وسرعة تنمو مع المسافة

a = 2,72 ms2 ; T = 2,83 N ; v = 1,65 ms
تحقّق من التوتّر بالعلاقة الأخرى قبل أن تعتمده: احسبه انطلاقا من الجسم الموضوع على المستوي، فإن لم تجد القيمة نفسها فالخطأ في إحدى الخطوتين. وانتبه: التوتّر أصغر دائما من ثقل الجسم المعلّق ما دام هذا الجسم ينزل بتسارع، فإن وجدته أكبر فقد أخطأت في إشارة.

جسم صلب على مستوٍ مائل

الزاوية بين الثقل ومركّبته العمودية هي زاوية الميل نفسها: ومنها يأتي كلّ الإسقاط.

نأخذ محورا موازيا لخطّ الميل الأعظم ومحورا عموديّا على المستوي. لا حركة على المحور العمودي، فمجموع المركّبات عليه معدوم؛ وعلى محور الميل تظهر مركّبة الثقل الموازية للمستوي:

الإسقاط على محور الميل الأعظم
− f + m g sin α = m a
الإسقاط على المحور العمودي على المستوي
R = m g cos α
Rشدّة ردّ فعل المستوي(N)
تسارع الجسم على المستوي المائل
a = g sin α − fm
نتيجة: في غياب الاحتكاك يصير التسارع جداء تسارع الجاذبية في جيب زاوية الميل، ولا يتعلّق بالكتلة. أمّا في وجود احتكاك تُعطى قوّته قيمةً ثابتة، كما في هذا النموذج، فالكتلة تدخل في العبارة، لأنّ هذه القوّة لا تتناسب مع الكتلة.

نشاط 2: كيف نعيّن كتلة جسم وقوّة احتكاك انطلاقا من قياس تسارعات ؟

📌التجربة:

  1. نثبّت جسما على مستوٍ مائل قابل لتغيير زاوية ميله، ونربطه بخيط يمرّ على بكرة في أعلى المستوي ويحمل في طرفه الآخر جسما معلّقا معلوم الكتلة.
  2. نضبط زاوية الميل على قيمة أولى، ثمّ نحرّر الجملة من السكون.
  3. نقيس المدّة اللازمة لقطع مسافة محدّدة بين علامتين على المستوي، ونستنتج منها التسارع الموافق.
  4. نعيد العملية نفسها من أجل عدّة قيم للزاوية.
  5. نمثّل التسارعات المقيسة بدلالة جيب زاوية الميل، لا بدلالة الزاوية نفسها.

🔍الملاحظة: النقاط التجريبية تقع على مستقيم متناقص لا يمرّ من المبدأ: كلّما كبرت زاوية الميل صغر التسارع. وتمثيل التسارعات بدلالة الزاوية نفسها كان يعطي منحنيا لا يُستغلّ.

اختيار جيب الزاوية على محور الفواصل هو ما جعل النقاط تصطفّ على مستقيم.
معادلة المستقيم البياني
a = − b sin α + c
مثال 5: استغلال البيان لتعيين كتلة وقوّة احتكاك

نستغلّ المستقيم الذي وجدناه في النشاط الثاني. قراءة البيان تعطي ميل المستقيم وترتيبته عند المبدأ، وكتلة الجسم المعلّق معلومة.

🎯المطلوب: أوجد كتلة الجسم الموضوع على المستوي المائل وشدّة قوّة الاحتكاك، ثمّ احسب توتّر الخيط لمّا تكون زاوية الميل ثلاثين درجة

📌المعطى
m2 = 0,30 kg ; b = 4,0 ms2 ; c = 5,0 ms2 ; g = 10 ms2
🔹الخطوة 1: العبارة النظرية للتسارع

لأنّ تطبيق القانون الثاني على الجسمين معا وحذف التوتّر يعطي التسارع بدلالة جيب الزاوية: وهي عبارة من الدرجة الأولى، أي معادلة مستقيم

a=− m1 gm1 + m2 sin α + m2 g − fm1 + m2
🔹الخطوة 2: المطابقة على الميل

لأنّ المطابقة بين العبارة النظرية ومعادلة المستقيم التجريبي تُلزم أن يكون كلّ معامل مساويا لنظيره: الميل للميل والثابت للثابت

b=m1 gm1 + m2=4,0
🔹الخطوة 3: كتلة الجسم الموضوع على المستوي

لأنّ هذه المعادلة لا تحوي إلّا مجهولا واحدا هو الكتلة المطلوبة، فنعزلها

m1=b m2g − b=4,0 × 0,3010 − 4,0
🔹الخطوة 4: شدّة قوّة الاحتكاك

لأنّ الكتلة صارت معلومة، فالمطابقة على الثابت لا تترك مجهولا إلّا قوّة الاحتكاك

f=m2 g − c (m1 + m2)=0,30 × 10 − 5,0 × (0,20 + 0,30)
🔹الخطوة 5: التسارع عند زاوية ثلاثين درجة

لأنّ جيب ثلاثين درجة يساوي 0,50، فالتسارع يُقرأ مباشرة في معادلة المستقيم

a=− 4,0 × 0,50 + 5,0
🔹الخطوة 6: توتّر الخيط

لأنّ الجسم المعلّق يخضع لثقله وللتوتّر فقط، فتوتّر الخيط يُستخرج من علاقته وحدها

T=m2 (g − a)=0,30 × (10 − 3,0)
✅النّتيجة

لأنّ الكتلة وقوّة الاحتكاك لم تُقاسا مباشرة ولا مرّة واحدة: البيان وحده أعطاهما، وهذا هو معنى استغلال بيان تجريبي

m1 = 0,20 kg ; f = 0,50 N ; T = 2,1 N
لا تقرأ على البيان إلّا ما هو مقروء فعلا: الميل والترتيبة عند المبدأ. كلّ ما عداهما يُحسب. وانتبه إلى وحدة الميل هنا: إنّه تسارع، لأنّ محور الفواصل يحمل جيب الزاوية وهو عدد بلا وحدة.
المحور الموازي للمستوي هو الذي يبسّط كلّ شيء: عليه تُكتب الحركة، وعلى العمودي عليه تتعادل القوى.
لاحظ أنّ الجزأين من هذا الدرس لا يختلفان في المنهج ولو حرفا واحدا: جملة، مرجع، معلم، حصيلة قوى، قانون ثان، إسقاط. ما يتغيّر هو عدد القوى وعدد المحاور. تعلّم المنهج مرّة، وستطبّقه على كلّ مسألة ميكانيك في البكالوريا.
في البكالوريا يأتي هذا الدرس في تمرين القذيفة: «استنتج طبيعة الحركة على المحورين»، ثمّ «اكتب المعادلات الزمنية ومعادلة المسار»، ثمّ «احسب المدى وارتفاع الذروة» ؛ أو في جملة جسمين مربوطين: «احسب التسارع وتوتّر الخيط». جهّز ثلاثة عناصر: ① المحوران: على الأفقي ⁦ax = 0⁩ فالحركة مستقيمة منتظمة، ⁦x(t) = v0 × t × cos α⁩ ؛ وعلى الشاقولي الموجّه نحو الأعلى ⁦az = −g⁩ فالحركة متغيّرة بانتظام، ⁦z(t) = −½ × g × t² + v0 × t × sin α + z0⁩ ؛ ② معادلة المسار بحذف الزمن ⁦(t = x/(v0 cos α))⁩، وهي قطع مكافئ ؛ ③ الشرطان: الذروة حين تنعدم vz، والمدى حين يعود z إلى الصفر ؛ وانحفاظ الطاقة الميكانيكية يعطي شدّة السرعة عند أيّ نقطة. ⚠️ الخطأ الشائع: عدم إعلان اتّجاه المحور الشاقولي ؛ إن وُجّه نحو الأسفل صار التسارع موجبا وانقلبت الإشارات، فأعلنه في أوّل سطر. ⚠️ وخطأ ثانٍ: في الجسمين المربوطين، كتابة القانون الثاني دون إسقاط على محور كلّ جسم على حدة.
خلاصة: حركة القذيفة تنقسم إلى حركة مستقيمة منتظمة على المحور الأفقي وحركة مستقيمة متغيّرة بانتظام على المحور الشاقولي؛ ومنهما تُستخرج المعادلات الزمنية ثمّ معادلة المسار بحذف الزمن، وهي قطع مكافئ. المدى يُحسب بوضع الارتفاع معدوما، والذروة بوضع المركّبة الشاقولية للسرعة معدومة، وانحفاظ الطاقة الميكانيكية يعطي طويلة السرعة عند أيّ نقطة. أمّا الجسم الخاضع لعدّة قوى فتبقى دراسته هي نفسها: نطبّق القانون الثاني على كلّ جزء، ونُسقط، فنجد تسارعا ثابتا إذن حركة مستقيمة متغيّرة بانتظام.

الصفحة 1/16

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net