اساسيات الفيزياء

الفيزياء :

علم يبحث في المادة والمجال ( إشعاع أو طاقة ) والتأثيرات المتبادلة
بينهما ، ويؤسس نتائجه مسنتداً على القياس التجريبي ويعتمد في صياغة
تعميماته على العلاقات الرياضية التي تربط بين متغيرات الظاهرة الطبيعية .
لذا هذا العلم مؤلفاً لمنهج فكري تجريبي – رياضي متميز بذاته .
و الفيزياء هي بحق أم علوم عصرنا الحاضر ، حيث كانت هي أول
العلوم التي بحث الانسان في نظرياتها وقوانينها ، وعنها تفرعت علوم أخرى
و مازال التفرع قائماً ،حيث أصبح كل فرع من فروعها علماً قائماً بذاته .
و ما علوم التكنولوجيا ( أو علم أصول الصناعة ) إلا مجالات التطبيق العملي
لنظريات الفيزياء التي جهد علماؤها كل الجهد في تطويرها وتنميتها .

القوة :

هي تأثير أحد الأجسام الطبيعية على جسم طبيعي آخر .
والجسم الطبيعي هو جسم يتكون من مادة وله حجم لا يساوى صفراً

و الأجسام الطبيعية تنقسم إلى نوعين :

- أجسام متماسكة وهي التي لا يتغير شكلها مهما كانت القوى
المؤثرة عليها مثل الأجسام الصلبة .
- أجسام قابلة للتشكل فيتغير شكلها تحت تأثير القوى مثل الخيوط
والسوائل والغازات بأنواعها والمطاط والصلصال .

أنواع القوى :

يختلف تأثير القوة التى يؤثر بها جسم على آخر من حالة لأخرى
ومن أمثلة هذه القوى :

1- قوى الضغط :
إذا حمل شخص ثقلاً على كتفه فإنه يشعر بقوة تؤثر على كتفه ،
مثل هذه القوة تسمى بقوة ضغط .

2- قوى الشد :
إذا أمسكنا بطرف خيط معلق في طرفه الآخر ثقلاً فإن الخيط
يكون مشدوداً بقوة تسمى قوة شد .

- 3 – قوى الجذ والتنافر :

مثل القوى التي تنشأ بين الأقطاب المغناطيسية و الشحنات الكهربية ،
مثل قوة جذب الأرض للأجسام وهي التي تسمى " وزن الأجسام " .

4- قوة رد الفعل :
و تنشأ عند تلامس أي جسمين . فإذا

وضع جسم على منضدة مثلاً فإن الجسم يؤثر على المنضدة بقوة
ضغط كما تؤثر المنضدة بدورها على الجسم بقوة آخرى تسمى قوة " رد الفعل "


5- قوى التثاقل ( أو الوزن ) :
إذا تحرك جسم في الهواء فإنه يتحرك ساقطاً نحو سطح الأرض
إذ أن الأرض تجذب جميع الأجسام نحوها بقوة تسمى " قوة جذب الأرض "
أو قوة التثاقل " أو " وزن الجسم " .

خواص القوة :
يتوقف تأثير القوة على عوامل ثلاثة هي :
1- مقدار القوة 2- إتجاه القوة 3- نقطة تأثير القوة وبالتالي خط عملها .

و حدات قياس مقدار القوة :
يقاس مقدار القوة بوحدات تسمى وحدات تثاقلية مثل :
ثقل الجرام ، ثقل الكيلوجرام
كما توجد وحدات أخرى القياس مقدار القوة تسمى وحدات مطلقة مثل :
الداين ، النيوتن
1 نيوتن = 100000=10^5داين

وترتبط الوحدات التثاقلية بالوحدات المطلقة بالعلاقة :

1 ث كجم = 9.81 نيوتن
1 ث جم = 981 داين .

تعريف النيوتن :
هو مقدار القوة التي إذا أثرت على كتلة كيلو جرام واحد
أكسبته عجلة مقدارها 1 متر/ث^2 .

تعريف الداين :
هو مقدار القوة التي إذا أثرت على كتلة جرام واحد أكسبتها عجلة مقدارها
1 سم / ث^2 .

تعريف ثقل الكيلوجرام :
هو مقدار القوة التي إذا أثرت على كتلة كيلو جرام واحد أكسبته علجلة
مقدارها 9.81متر/ث^2 .

اتجاه القوة :
إتجاه القوة هي إتجاه المتجه الذي تمثله هذه القوة .
والقوى المستوية هي التي تمثل بمتجهات تقع جميعها في مستو واحد ،
ويمكن في هذه الحالة تحديد إتجاهات القوى عن طريق الزوايا القطبية
لمتجهات هذه القوى ..

نقطة تأثير القوة :

يتوقف تأثير القوة على نقطة تأثيرها :
فأنت إذا حاولت مثلاً فتح باب الحجرة أو غلقه بالضغط بقوة قريبة
من خط المفصلات فإنك تجد صعوبة كبيرة ، وتتلاشى هذه الصعوبة
كلما إبتعدت عن خط المفصلات .
خط عمل القوة :
خط عمل القوة هو الخط المستقيم المار بنقطة تأثيرها والموازى لإتجاهها .
- فمثلا خط عمل الشد في خيط هو الخيط نفسه .
- خط عمل قوة وزن الجسم هو الخط الرأسى المار بمركز ثقل الجسم .


القوى وتوازن الأجسام

شروط إتزان جسم واقع تحت تأثير قوتين :

1- أن تكون القوتان متساويتان في المقدار
2- أن تكون القوتان متضادتان في الإتجاه
3- خط عملهما على إستقامة وأحدة .

تجربة عملية الهدف منها تحقيق شروط توازن قوتين

الأدوات المستخدمة :


سطح أفقي – ميزان زنبرك – قرص مستدير به عدة ثقوب – مسماران .

خطوات التجربة :

1- أربط في خطاف كل من الميزانين الزنبركيين خيطاً وأربط الطرف
الثاني لأحد الخيطين في أحد ثقوب القرص وليكن الثقب أ مثلاً وأربط الطرف الثاني
للخيط الآخر في ثقب ثانٍ وليكن ب .
2- ثبت حلقة أحد الميزانبن وليكن الميزان المتصل بالثقب أ في مسمار ثابت
في السطح الأفقي .
3- شد الميزان الثاني أفقياً حتى يستقر القرص في حالة إتزان وثبت حلقة الميزان
في مسمار آخر في السطح الأفقي .
4- سجل قراءتي الميزانين وتأكد باستخدام حافة مستقيمة أن الخيطين على
استقامة واحدة .

الاستنتاج :

نجد أن قراءتي الميزانين متساويتان والخيطين على إستقامة واحدة وأن القوتين
لهما اتجاهان متضادان.
مبدأ انتقال نقطة تأثير القوة :

إذا أثرت قوة ق في جسم متماسك
وكانت نقطة تأثيرها م فإنه يمكن نقل
نقطة التأثير إلى أي نقطة أخرى ب م ، جـ م ، .....
على خط عمل القوة دون أن يغير ذلك من تأثيرها على الجسم
أي أن أية نقطةعلى خط عمل قوة يمكن إعتبارها نقطة تأثير لهذه القوة .
و يمكن التحقق من صحة هذه القاعدة بإستخدام الجهاز في التجربة العملية
السابقة وذلك بربط أحد الخيطين في أي ثقب يقع على المستقيم أ ب .

الحركة :

تعد دراسة الأجسام المتحركة من المواضيع الهامة التي يجب علينا فهمها
سواء كانت هذه الأجسام صغيرة جداً كالفيروسات والبكتيريا ، أو كانت أجساما
كبيرة جدا مثل النجوم والكواكب .

تعرف الحركة على أنها التغير المستمر في موقع الجسم . والحركة الكلية
للجسم تحددها معرفة حركة جميع النقاط داخل الجسم ، ذلك أن أي جسم ينظر
إليه على أنه مكون من عدد كبير جدا من النقاط وحركة هذه النقاط بمجموعها هي
التي تحدد حركة الجسم ، ولهذا السبب فإننا نعتبر كل نقطة واقعة داخل هذا الجسم
على أنها جسيم مادي صغير جدا يسمى " الدقيقة المادية "

يتحدد موقع الدقيقة المادية في الفراغ ، بواسطة المساقط العمودية لهذه الدقيقة
على احداثيات الفراغ الثلاثة المتعامدة في نقطة ما هي نقطة إسناد الحركة
وهذه المحاور الثلاثة هي ( x , y , z ) . والمتجه الذي يحدد بعد واتجاه
الدقيقة المادية بالنسبة لنقطة الاسناد هذه ، متجه الموقع ويرمز له دائما بالرمز r
و يمكن تحليل هذا المتجه على مركباته بالاتجاهات الاحداثية الثلاث هي
rx، ry ، rz . وإذا ما تغير موقع الجسم فإن هذه المركبات الثلاث
تتغير أيضاً . وكل واحدة من هذه المركبات تتغير باتجاه المحور الخاص بها ،
فمثلا عند حركة الدقيقة المادية في الفراغ فإن المركبة السينية rx تتحرك
بزيادة أو نقصاناً بالاتجاه " x " أي أنها تتحرك في خط مستقيم . ويمكنك تصور
ذلك إذ تخيلت أن الدقيقة المادية تصدر ثلاثة اشعاعات ضوئية كل واحد منها
باتجاه عمودي على أحد المحاور الثلاثة . وكل شعاع منها يحدث نقطة مضيئة
على المحور الخاص به .

و عندما تتحرك الدقيقة المادية تجد أن كل نقطة مضيئة ستتحرك أيضاً ، ولو
تابعت حركة النقطة المضيئة لوجدتها تسير في خط مستقيم وعلى المحور
الخاص بها .

و يمكن تقسيم الحركة إلى ثلاثة أنواع هي :

1- حركة الدقيقة المادية في بعد واحد . و في هذا لا يكون لمتجه موقع
الدقيقة إلا مركبة واحدة ، وفي تخيلنا السابق تكون الدقيقة المادية هي
النقطة المضيئة و لاتخرج منها اشعاعات كما ذكرنا .
2- حركة الدقيقة في بعدين . وفي هذه الحالة يكون لمتجه الموقع مركبتين
أي أن هناك نقطتين مضيئتين تتحركان على محورين متعامدين . ومن أمثلة
هذه الحركة حركة المقذوفات والحركة الدائرية .
3- الحركة في ثلاثة ابعاد : وهي الحركة التي يتم فيها تغير موقع الجسم
بالنسبة لنقطة اسناد معينة باتجاه المحاور الاحداثية الثلاثة . ومن أمثلتها
حركة الالكترون داخل سلم ملفوف على اسطوانة .الحركة الخطية للأجسام :

إذا تحرك جسم على خط مستقيم وكان يقطع مسافات متساوية
في أزمنة متساوية سميت حركته بأنها خطية ومنتظمة وتعرف
بأنها المعدل الزمني لقطع المسافة ( ف ) أي أن :
معادلات الحركة :

1- إذا لم تكن سرعة الجسم ثابتة مقداراً واتجاهاً فإن معدل تغير
السرعة بالنسبة للزمن يسمى التسارع ( جـ ) حيث

ويكون التسارع منتظم عندما يكون التغير في سرعة الجسم
في الثانية الواحدة ثابت دائماً .
و إذا ابتدأ جسم في مثل هذه الحركة من حالة سكون فإن سرعته
بعد زمن ( ن ) هي :

وتكون السرعة المتوسطة للحركة في هذه الفترة الزمنية = 1/2 جـ ن

و بذلك تكون المسافة المقطوعة في الزمن ن هي 1/2 جـ ن^2 .


إذا كانت ع . هي سرعة الجسم الابتدائية تكون سرعته بعد زمن هي


2- السرعة المتوسطة للجسم = 1/2 ( ع. + ع. + جـ ن )
= ع. + 1/2 جـ ن .
و تكون الإزاحة في هذه الحالة هي :

3- وبتربيع المعادلة 4 والتعويض من المعادلة 5 نحصل على


تحدد القوانين السابقة العلاقة بين الإزاحة والسرعة والعجلة في
حالة الحركة الخطية المنتظمة .

قوانين نيوتن للحركة :

قانون نيوتن الأول :

إذا أثرت قوى في جسم ، فإنها يمكن أن تغير أبعـاده أو شكله كما أنها
يمكن أن تغير في حالته الحركية .

و من المعلوم أن حركة الجسم يمكن اعتبارها مكونة من حركة انتقالية ومن
حركة دورانية . وبذلك فإنه إذا أثرت قوة في جسم ، فإن هذه القوى يمكن
أن تحدث تغيرا في حركته الانتقالية والدورانية .أما عندما تؤثر عدة قوى في
الجسم في الوقت نفسه ، فإنها يمكن أن تعادل بعضها بعضاً ، بحيث لا يكتسب
الجسم أي حركة سواء أكانت انتقالية أم دورانية . وفي هذه الحالة نقول إن الجسم
في حالة توازن . و إذا ذاك فإن الجسم يظل ساكناً ، أو يتحرك بخط مستقسم
وبسرعة ثابتة ، أو يدور بسرعة زاوية ثابتة .


و هنا يكمن جوهر قانون نيوتن الأول
إذا ينص هذا القانون على ما يأتي :

تستمر جميع الأجسام في حالة سكون أو في حالة حركة منتظمة في خط مستقيم
إلا إذا أثرت عليها قوى خارجية تغير من حالتها .

و يبدو من الوهلة الأولى أن هذا القانون ليس جديد وهو معروف للعالم
منذ فترة طويلة ، أي أن الجسم لا يتحرك ما لم تؤثر عليه قوة خارجية . ولكن
إذا نظرنا جيداً في هذا القانون نجد أنه يحتوي على تعريف القوة المؤثرة على الجسم
وكيف تكون حالة الجسم قبل وبعد ما تؤثر عليه هذه القوة . أي أنه يحتوي على
تعريف القصور مما يعني أنه يمكن أن يطلق على القانون الأول لنيوتن قانون القصور
لأن الجسم قاصر على تغير الحركة ( متزن ، أو في حالة اتزان ) الذي هو بها
أما أن يكون ساكناً أو يكون متحركاً بحركة منتظمة .

ومن الأمثلة على هذا القانون هو حالة انزلاق جسم ( حجر) على سطح أفقي أملس
مما يعني أن القوة تساوي صفراً وأن القوى المؤثرة على الجسم هي
القوةالعمودية . ويلاحظ أن الجسم يتحرك بغير عجلة أي أن عجلته تساوي صفراً
وعلى هذا الافتراض نجد أن الجسم الذي يسير بسرعة ثابتة يمكن أن يكون هناك
أكثر من قوة واحدة تؤثر عليه ، ولكن مجموع هذه القوى يساوي صفراً
متى ينطبق قانون نيوتن ؟

ينطبق قانون نيوتن فقط إذا كانت حركة الجسم منسوبة لما يعرف بمجموعة
محاور الاسناد القصورية . حيث أن حالة حركة الجسم توصف عادة بتحديد
مكان الجسم وسرعته وتسارعه ، نجد أن حركة الجسم هي حركة نسبية
وليست مطلقة . اذا يختلف وصفها وتحديدها باختلاف مجموعة
محاور الاسناد المختلفة فمثلاً :

لو أخذنا سيارة متسارعة فاننا نجد أن حالة حركتها تختلف إذا اخذناها من وجهة
نظر السائق ( كما تبدو للسائق ) عنها بالنسبة لمشاهد يقف متفرجاً على الرصيف
حيث تبدو السيارة للسائق انها ساكنة بينما يفيد المشاهد أنها تتحرك بسرعة متغيرة .

وبناء على ذلك تعرف أطر الاسناد القصورية بانها المجموعات التي تتحرك
بالنسبة لبعضها بسرعة ثابتة أي غير متسارعة .

لذلك لا تعتبر الارض مثلا مجموعة قصورية لانها تتحرك حول الشمس وحول نفسها
مما يكسبها تسارعا مركزياً . لكن إذا اخذنا بعين الاعتبار ان هذا التسارع صغير إذا
ما قورن بتسارع الجاذبية الارضية فيمكن اعتبارها مجموعة قصورية بالتقريب .

يمكن كذلك تعريف مرجع بانه قصوري إذا قلنا انه ذلك الجسم الذي تؤثر عليه
قوة تساوي صفراً . وهنا نلاحظ ان هذه القوة تقد تكون صفراً بالفعل أو أن
هناك مجموعة من القوى الخارجية لكن محصلتها جميعاً تساوي صفراً.
الكتلة القصورية :

الكتلة القصورية هي خاصية في الجسيم مرتبطة بقانون نيوتن الأول
والذي يمكن أن نطلق عليه ( قانون القصور ) . حيث تعبر عن مدى
مقاومة جسم ما لأحداث تغير في حالة حركته . لقد استخدم نيوتن
مفهوم الكتلة على أنها مرادف المقدار " ما في الجسم من مادة " ..
الا أنه وبدقة اكبر يمكن القول أن الكتلة هي مقياس لقصور الجسم .
كلما كانت كتلة الجسم اكبر كلما كان اكثر صعوبة احداث تغير في
حالة حركته حيث نجد صعوبة في جعله يبدا بالحركة إذا كان ساكناً
كما يصعب ايضا ايقافه عن الحركة إذا بدأها . ويصعب كذلك ازاحته
جانبياً إذا كان يتحرك بخط مستقيم .

قانون نيوتن الثاني في الحركة :

يتعلق قانون نيوتن الأول بالحالات التي تكون فيها محصلة القوى المؤثرة
على الجسم تساوي صفراً . والسؤال الذي يتبادر للذهن هو : ماذا لو كان
هناك محصلة للقوى التي تؤثر على الجسم ؟ أن المشاهدات العملية تدلنا
على أن الجسم الساكن عندما تؤثر عليه قوة معينة فإنه يبدأ بالحركة
وبالتالي يتسارع . واذا كانت هناك سيارة تتحرك بسرعة ثابتة وبخط مستقيم
وشغل سائقها الفرامل أي زاد من قوة الاحتكاك بين السيارة والطريق
التي تسير عليها ( وبذلك تؤثر على السيارة محصلة قوى باتجاه
معاكس لحركتها ) ، فإن سرعة السيارة تتناقص تدريجياً إلى أن تقف .

و عند دوران السيارة على منعطف يدير السائق المقود وبالتالي تتأثر
السيارة بقوة طرد مركزية نحو الخارج تعاكسها قوة احتكاك العجلات بالأرض .

أن هذه المشاهدات ومشاهدات كثيرة غيرها لتدل دلالة واضحة على أن الجسم
عندما نؤثر عليه بقوة ( أو محصلة قوى ) تتغير سرعته مقداراً واتجاهاً
أو مقداراً واتجاهاً معاً ، وبالتالي نقول أن الجسم يكتسب تسارعاً معيناً .
ولكن ما قيمة هذا التسارع ؟ وما علاقته بالقوة المؤثرة ؟

وهنا نأخذ بعين الاعتبار التجارب التالية :

قوة ق تؤثر على جسم بحيث يمر خط عملها بمركز ثقل الجسم
وهذا الجسم كما في الشكل موضوعاً على سطح أفقي املس . وبالتالي لايتحرك
الجسم حركة دورانية وانما يتحرك حركة انتقالية فقط . لنفترض أن القوة ( ق )
تقاس بميزان زنبركي بالاستعانة بساعة وقف وبقياس المسافة التي يتحركها الجسم
يمكن ايجاد تسارعه . وبأخذ قراءات مختلفة للقوى المؤثرة والتسارعات الناتجة عنها
نجد أن

ق / ت = ثابت

حيث ق مقدار القوة المؤثرة ، ت : مقدار التسارع الناتج عنها ..
كما نجد أن ايضا أن اتجاه التسارع هو نفسه اتجاه القوة المؤثرة .
إن نسبة القوة إلى التسارع الذي تحدثه القوة على نفس الجسم يمكن اعتبارها صفة
خاصة بالجسم بدليل أنه إذا تغير الجسم تغيرت هذه النسبة . إن هذه النسبة
تسمى كتلة القصور للجسم ( ك ) أي أن

ك = ق/ ت

أو


-----7
و هذا الشكل هو عبارة عن قانون نيوتن الثاني بالرموز .

و هذا الشكل هو عبارة عن قانون نيوتن الثاني بالرموز .


يتناسب تسارع جسم ما طردياً مع القوة المحصلة المؤثرة عليه وعكسياً مع كتلته .
ويكون التسارع باتجاه القوة المحصلة المؤثرة .

يقصد هنا بالقوة ق : الجمع الاتجاهي لجميع القوى المؤثرة على هذا الجسم .
أن المعادلة ( 7 ) هي معادلة اتجاهية حيث يمكن ن نعبر عنها بدلالة مركباتها باتجاه
ثلاثة محاور اسناد متعامدة .

و عند تطبيق قانون نيوتن الثاني على حالة ما ، مثل جسم تؤثر عليه مجموعة من القوى
وطلب منا ايجاد التسارع الذي يكتسبه الجسم من مجموعة القوى هذه ، فاننا
نجد محصلة القوى هذه ثم نطبق القانون ( 7 )

تطبيق على قانون نيوتن الثاني :

عجلة بخارية كتلتها (80 كجم ) ، تم تعجيلها ، وذلك بزيادة سرعتها
من الصفر إلى ( 6 كم / ساعة ) .

1- أوجد مقدار تسارع الدراجة البخارية .
2- أوجد مقدار القوة المؤثرة عليها ، وذلك خلال
زمن مقداره ( 4 ثواني ) .

الحل :

السرعة الابتدائية ( ع. ) = صفر .
السرعة النهائية ( ع1 ) = 6 كم / ساعة = 6×1000 / 3600
= 1.67م/ث

1- التسارع = ع1 – ع. / ن
= 1.67 – 0 / 4 = 0.42م/ث^2 .

2- مقدار القوة المؤثرة = ك × ت
= 80 × 0.42 = 33.6 نيوتن .


******************************

قانون نيوتن الثالث :

يعالج القانون الثاني أثر القوة على جسم ما ، لكن ما مصدر هذه القوة ؟

من مشاهداتنا اليومية نلاحظ ان القوة المؤثرة على جسم ما يسببها جسم آخر .

أي من المحيط للجسم . فمثلا يجر الحصان العربة و تدفع المطرقة المسمار
ويسحب المغناطيس قطعة الحديد .

وقد ادرك نيوتن ان الأمر لا يمكن أن يكون من طرف واحد . حيث نلاحظ أن
المسمار أيضاً يؤثر بقوة على المطرقة وكذلك الحال في المغناطيس و الحصان
وغيرها . لذلك يمكن القول أن القوى في الطبيعة تكون بشكل ازواج .

فإذا جذبت شحنة كهربائية أخرى بقوة ( ق1 ) فان الثانية
تجذب الأولى بقوة ( ق2 ) وهذه تساوي ( ق1) في المقدار وتعاكسها
في الاتجاه ولها نفس خط العمل .