تطبيقات قوانين نيوتن في الحركة – الفيزياء للصف الخامس العلمي

بعد شرح قوانين نيوتن الثلاثة في المحاضرات السابقة، ننتقل اليوم إلى تطبيقات هذه القوانين في حياتنا العملية وفي حل المسائل الفيزيائية، وذلك من خلال دراسة حالات مختلفة تتعلق بالقوة العمودية، حالات السكون، الدفع، السحب، الزوايا، وقوة الشد في البكرات.

أولًا: القوة العمودية (Normal Force)

❖ تعريف:

القوة العمودية هي قوة رد فعل السطح على الجسم الموضوع عليه، وتكون دائمًا عمودية على سطح التلامس.

❖ خصائص القوة العمودية:

• تكون دائمًا عمودية على السطح.
• تتجه بعيدًا عن السطح.
• مقدارها غير ثابت، إذ يعتمد على كتلة الجسم وقوى الدفع أو السحب.
• في حال انعدامها، يغوص الجسم داخل السطح.

❖ مثال توضيحي:

إذا وضعت دفترًا على يدك (بمثابة سطح)، فإن يدك تبذل قوة عمودية للأعلى لمعادلة وزن الدفتر، وإلا سيسقط. هذه القوة تُسمى القوة العمودية.

ثانيًا: الحالات الست للقوة العمودية

❖ الحالة الأولى: الجسم ساكن على سطح أفقي

• الوزن $W$ للأسفل
• القوة العمودية $N$ للأعلى
• العلاقة:

  $$N = W$$

إذا كان وزن الجسم 10 نيوتن، فإن القوة العمودية أيضًا 10 نيوتن.

❖ الحالة الثانية: وجود قوة ضغط للأسفل على الجسم

• الوزن $W$ للأسفل
• قوة إضافية $F$ للأسفل
• العلاقة:

  $$N = W + F$$

مثال: إذا كان وزن الجسم 10 نيوتن ودُفع من الأعلى بقوة 5 نيوتن، فإن القوة العمودية تكون 15 نيوتن.

❖ الحالة الثالثة: وجود قوة سحب للأعلى

• الوزن $W$ للأسفل
• قوة سحب $F$ للأعلى
• العلاقة:

  $$N = W – F$$

مثال: إذا كان الوزن 10 نيوتن وتم سحبه لأعلى بقوة 3 نيوتن، فإن القوة العمودية تكون 7 نيوتن.

❖ الحالة الرابعة: تأثير زاوية على الجسم (السحب بزاوية)

• تؤثر الزاوية في توزيع القوى.
• العلاقة:

  $$N = W – F \cdot \sin(\theta)$$

كلما زادت الزاوية، قل تأثير القوة العمودية لأن جزءًا من القوة يرفع الجسم.

❖ الحالة الخامسة: الدفع بزاوية نحو الجسم (الجعص)

• قوة دفع تؤثر بزاوية نحو الأسفل.
• العلاقة:

  $$N = W + F \cdot \sin(\theta)$$

القوة الإضافية للأسفل تزيد الضغط على السطح، فتكبر القوة العمودية.

❖ الحالة السادسة: جسم على سطح مائل (الزحف دون قوة خارجية)

• يتحرك بفعل وزنه فقط.
• العلاقة:

  $$N = W \cdot \cos(\theta)$$

القوة العمودية هنا تقل لأن الجسم لا يكون على سطح أفقي بل مائل.

ملاحظات مهمة:

• كل حالة لها رسم وقانون خاص، ويجب حفظهما.
• يستخدم المصطلح $N$ دائمًا لتمثيل القوة العمودية.
• زاوية السحب أو الدفع تؤثر على التحليل المتجهي للقوة.

ثالثًا: تطبيق عملي – البكرة (نموذج جسمين مربوطين بحبل)

❖ المسألة:

جسمان كتلتهما $m_1 = 2 \,kg$ و$m_2 = 3 \,kg$ مربوطان بحبل يمر فوق بكرة مهملة الكتلة والاحتكاك. احسب:

1. تعجيل الحركة $a$
2. قوة الشد في الحبل $T$

❖ خطوات الحل:

✦ 1. تحديد القوى:

• الجسم الأثقل $m_2$ يسحب للأسفل: $W_2 = m_2 \cdot g = 3 \cdot 10 = 30 \,N$
• الجسم الأخف $m_1$ يسحب للأعلى: $W_1 = m_1 \cdot g = 2 \cdot 10 = 20 \,N$

✦ 2. إيجاد التعجيل:

القوة المحصلة = الفرق بين الوزنين:

$$F_{\text{net}} = W_2 – W_1 = 10 \,N$$

الكتلة الكلية = $m_1 + m_2 = 5 \,kg$

حسب قانون نيوتن الثاني:

$$F = m \cdot a \Rightarrow 10 = 5a \Rightarrow a = 2 \, m/s^2$$

✦ 3. إيجاد قوة الشد $T$:

نستخدم معادلة للجسم الأخف:

$$T = m_1(g + a) = 2(10 + 2) = 24 \,N$$

أو باستخدام:

$$T = m_2(g – a) = 3(10 – 2) = 24 \,N$$

❖ تعريفات مهمة:

❖ أسئلة وأجوبة:

س: ما معنى أن الجسم ساكن على سطح؟
ج: يعني أن القوة العمودية تساوي وزن الجسم ولا توجد قوى إضافية.

س: ماذا يحدث للقوة العمودية إذا دفعت الجسم للأسفل؟
ج: تزداد وتصبح $N = W + F$

س: ماذا يحدث إذا سحبت الجسم للأعلى؟
ج: تقل وتصبح $N = W – F$

س: كيف نحسب القوة العمودية على سطح مائل؟
ج: باستخدام العلاقة $N = W \cdot \cos(\theta)$

س: هل تعجيل الجسمين في نظام البكرة مختلف؟
ج: لا، التعجيل موحد لأنهما مربوطان بنفس الحبل ويتحركان معًا.

خلاصة وتوجيهات:

• القوة العمودية تعتمد على نوع التأثير (سكون، ضغط، سحب، زاوية، سطح مائل).
• لا تحفظ العلاقات فقط، بل افهم السياق الفيزيائي لكل حالة.
• في المسائل، راقب دائمًا اتجاه القوى وحلل كل جسم على حدة.