الحركة الدائرية

إن الجِسم يبقى مُتَحرّكاً أو ثابتاً على ذاتِ وضعِه ما لم تطرأ عليهِ قوّةٌ تؤثّر به وتؤدّي لتغيير اتّجاهه، هذا ينطبِق فعلاً على الحركة المستقيمة، فماذا عن المسار الدائري؟

118- الحركة الدائرية
--------
كما تعرّفنا خلالَ دراستِنا البسيطة للفيزياء أنّ الجِسم يبقى مُتَحرّكاً أو ثابتاً على ذاتِ وضعِه ما لم تطرأ عليهِ قوّةٌ تؤثّر به وتؤدّي لتغيير اتّجاهه..

هذا ينطبِق فعلاً على الحركة المستقيمة، ولَكِن إن طرحنَا السُؤَال ذاتَه عندما نقولُ لَكم أنّ الجِسم يمِكن أن يتحرّك وفق مسارٍ دائريّ الشّكل تماماً!!

تخيّل جسماً يمشي وفقَ سُرعةٍ محدّدة ولكن تؤثّر عليهِ قوّةٌ أُخرى تجعله يفقِد استقامتَه ولو لجزءٍ من الراديان (وحدة قياس الزاوية، تُستخدم في الدائرة المثلثية وغيرها من التطبيقات الرياضية) ثمّ نعرّض الجسم لأُخرى وأخرى، إذاً سيتحرّك شُعاع السرعة وفق شكلٍ متناسب مع استمرار هذه القِوى..

حسناً نبدأ بالحركة الدائرية كتعريف على أنّه عندما يتحرّك جسمٌ ما دائِريّاً و يكونُ مزوّداً بسرعة ابتدائيّة ثابتة V وندعوها (السّرعة المماسية نسبةً لمماس الدائرة)
فإنّ الشّعاع يتغيّر بانتظام وفق جهةِ دورانه، وبقولٍ أدقّ فإنّ سرعة الجِسم تتغيّر ولكن ليس قيمةً بل اتّجاهاً وهذا يحدثُ لحظيّاً وكدليلٍ لذلك فالجسم يقطع أطوال من القوس الدائرية مساويَةً لسرعته المماسية فعلياً..
هذا التغيّر الاتجاهي المنتظم يدلّ أن الجِسم يتَسارَع ولكن ما نوع هذا التسارُع إن كان لا يُحدث زيادةً فعليّة بسرعة الجِسم!!
هو التسارُع المركزي و هو المقدار الذي يعبّر عن تغيّر شعاع السرعة للجسم المُتحرك؛ و هو ينتُج عن قوّة ندعوها القوّة الجاذبة المركزية و تقاس بالنيوتن ولها أشكال عدّة مثل الجاذبية الأرضية، الشمسيّة، صلابَة المروحة التي تمنع تطايُر صفائحها..
نقد بنّاء:
لكننا نعلمُ أن القوّة عندَما تؤثّر بجسمٍ ما فإنّها ستغيّر له سرعتَه حتماً، ولكن هنا تبقى السّرعة المماسية ثابتة، لمَ؟!!

فكّر قليلاً بالأمر وهُو ليسَ أمراً أكاديميّاً تبحثُ عنه..
سأقولُ لك أن القوّة ستكون غيّرت سرعته لو أنجزت عليهِ عمَلاً (محرّكاً أو مقاوماً)، ولكن هنا الجسم ما زال يتحرّك دائرياً وسرعته المماسيّة الابتدائيّة بقيت ثابتة لأنّ.القوّة الجاذِبة المركزيّة لم تحرّك الجسم تُجاهها سنتمتراً واحداً.. وإلا لكان الجسمُ قد فقد خاصيّة الدائريّة في حركتِه، وكما نعلم فإن القوّة التي لا تحرّك الجِسم أو تقاومه لا تبذل عملاً مثل "ردّ الفعل" فعندما تضعُ كتاباً على مِنضدة فهي تمنعه عن الغوص بها ولكّنها لا تحرّكه باتجاه شعاعها نحو الأعلى فهي لا تبذل بذلِك عملاً..

لذا فالجسم المتحرّك دائرياً يتعرض لقوّة مركزيّة تحرف اتجاه شعاعه و تحول السّرعة إلى مسافات تُقطع على قوس الدائرة، فالجسم بذلك يحتفظ بقيمة سرعته الابتدائية دون أن يحتفظ بشعاعها و حاملِه..

كما نجِد بعد هذا الاستنتاج أن الجِسم عندما يتحرّك دائريّاً فهو يقطَع أقواساً حول المركز خلال فاصِل زمنيّ معيّن لذا فكما نجد سرعةً مماسيّة سنجد سرعةً زاويّة فهو الزاويَة (O) التي يمسحُها الجسم خلال فاصلٍ زمنيّ معيّن (t) ونجد أن السرعة الزاويّة (W) تحسب بالعلاقة
W= O/t
حيث واحدتها Rad/s راديان/ثانية..

بهذا نكون قد عرّفنا الحركة الدائرية المنتظمة، ولكن إن تغيّرت بعض المفاهيم مثل أن يكون الجسم ذو تسارعاً مماسيّاً و منطقيّاً هذا يعني تزايد التسارُع الجاذب المركزي ليستطيع إبقاء الجسم على نفسِ المدار... ومثالنا على ذلك المروحيّة التي تبدأ حركتها من الصِفر وفقَ تسارُعٍ معيّن يتناسب مع استِطاعة المحرّك، فلّما تبلُغ السّرعة المماسيّة حدّها الأقصى المسموح ما الذي يُبقي الصفائِح مرتبِطة بقرصِها؟!
الجّواب بسيطٌ، فالقوّة الناتجة عن متانة المعدن هي من تُبقي الصفائح منجذبة بقوّة مركزيّة تتزايَد وفقاً لتزايُد السرعة المماسيّة، وكمثالٍ آخر احمِل "عِقد تسبيحٍ خرزيّ" وقُم بالتلويح به دائريّاً، زِدِ السّرعة ألا تشعر بزيادَةِ القوّة التي تبذلُها لكيلا تُفلِت من يدِك، ولو زدتَ سرعتها بطريقةٍ فوقَ احتمالِ خيطها ماذا سيحدُث!!
ولهذا فإن الحرَكة الدائرية المتغيّرة مهمّة جداً في تطبيقاتٍ ميكيانيكيّة كثيرة كاختيارِ المعدَن الأنسب في مراوِح الهيليكوبتر مثلاً، و إنّ الحركة المتغيّرة تفرِض مفاهيمَ عديدَة كالتسارُع المماسي و التسارُع الزّاوي...الخ

إعداد: آلان ياسِر شَلغين.
#فيزيائي
#الفيزياء_للجميع

تمّت الاستفادة من المرجِع: https://goo.gl/FP52aV