Physics
📄 اطبع pdf
00971504825082
القوة
FORCE
القوة
:عبارة عن مؤثر خارجي يؤثر على الجسم يعمل على تغير شكل الجسم أو تغير من الحالة الحركية للجسم
تقسم القوى في الطبيعة إلى نوعين
قوى التلامس
بعض القوى لا يمكن أن تحدث دون ملامسة الجسم
قوى المجال
وبعض القوى ليست بحاجة إلى ملامسة الجسم كي تحدث
مقارنة بين قوى التماس وقوى المجال
الخاصية قوى التماس قوى المجال التعريف قوى تتطلب تلامساً مباشراً قوى تعمل عن بعد الأمثلة الاحتكاك، الشد، العمودية الجاذبية، المغناطيسية، الكهربائية الاستخدامات فرامل السيارات، المشي حركة الكواكب، المحركات
الكتلة والوزن
الكتلة: هي مقدار المادة في الجسم
الوزن: هو القوة المطبقة على الجسم من قبل الجاذبية
الكتلة لا تتغير بتغير المكان ولكن الوزن يتغير حسب مجال الجاذبية
\(W=F_g=m.g\)
\(N=Kg.\frac{m}{S^2}\)
المقارنة بين الكتلة والوزن
الخاصية الكتلة الوزن المفهوم كمية المادة قوة الجاذبية التغير ثابتة تتغير الوحدة كيلوجرام (kg) نيوتن (N) الاستخدام قياس القصور الذاتي قياس القوة المؤثرة
ملاحظات هامة:
- ✅ الكتلة خاصية ثابتة لا تتأثر بالموقع الجغرافي
- 🔄 الوزن يتغير مع تغير قوة الجاذبية
- ⚖️ العلاقة بينهما: الوزن = الكتلة × تسارع الجاذبية \(F_g = m \times g\)
الكتلة والوزن على سطح هذا العالم
في هذه المحاكاة لاحظ أثر تغير الوزن بتغير المكان ولكن الكتلة تبقى ثابتة
عندما تعلق جسم بزنبرك هناك قوة شد تعادل وزن الجسم
إضغط على الكوكب أولا
(Reset) ثم إضغط على ثم على السهم المتجه نحو الأعلى
محصلة القوى
وهي مجموع القوى المؤثرة على الجسم
\[\sum \vec F_{net}=\vec F_1+\vec F_2+\vec F_3+......\vec F_n\]
من الأفضل أن نأخذ محصلة القوى على المحاور الديكارتية للسهولة
\[\sum \vec F_{X}=\vec F_{1X}+\vec F_{2X}+\vec F_{3X}+......\vec F_{nX}\]
\[\sum \vec F_{Y}=\vec F_{1Y}+\vec F_{2Y}+\vec F_{3Y}+......\vec F_{nY}\]
\[\sum \vec F_{Z}=\vec F_{1Z}+\vec F_{2Z}+\vec F_{3Z}+......\vec F_{nZ}\]
مثال محلول
من خلال الشكل حدد محصلة القوى على المحور X
نحدد القوى المؤثرة على الجسم
نرسم محاور إحداثيات X.Y بشرط المحور الأفقي يوازي المستوى الذي يتحرك عليه الجسم
نحلل القوى التي لا تنطبق على محاور الإحداثيات
\(F_{1X}=F_1.\cos(30)=20\times\cos(30)=17.3 N\)
\(F_{1Y}=F_1.\sin(30)=20\times\sin(30)=10 N\)
\[\sum F_X=F_1.\cos(30)-F_3=17.3-3=14.3 N\]
القوة المتعامدة (القوة العمودية)
المفهوم العلمي:
القوة المتعامدة (Normal Force) هي مكون القوة العمودي على سطح التماس بين جسمين، تنشأ كرد فعل لقوى الضغط التي يمارسها جسم على سطح آخر.
حالات ظهورها:
- ✅ عندما يوضع جسم ثابت على سطح أفقي (مثل كتاب على طاولة)
- ✅ في الحركة على الأسطح المائلة (مثل تحليل القوى على منحدر)
- ✅ أثناء التصادمات بين الأجسام
- ✅ في الأنظمة الدورانية كقوة جابذة
خصائصها:
- اتجاهها: عمودي دائمًا على سطح التماس
- مقدارها: يتغير حسب القوة المؤثرة (\(F_N = mg \cos\theta\) في الأسطح المائلة)
- طبيعتها: قوة رد فعل (ليست قوة أساسية)
قوانين نيوتن وتطبيقات على قوانين نيوتن
قانون نيوتن الأول: القصور الذاتي
ينص قانون نيوتن الأول: الجسم الساكن يبقى ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوة خارجية فتحركه، والجسم المتحرك في خط مستقيم يبقى كذلك للأبد ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من اتجاه حركته.
نتائج قانون نيوتن الأول:
النص العلمي للقانون:
"يظل الجسم الساكن ساكنًا، والجسم المتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم يظل على حالته ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالته الحركية"
الصيغة الرياضية:
\[\sum F = 0 \Rightarrow a = 0\]
تطبيقات عملية:
- الفرملة المفاجئة: يستمر الركاب في الحركة للأمام
- انزلاق قرص الهوكي: يتحرك لمسافة أطول بسبب قلة الاحتكاك
- صعوبة دفع جسم ثقيل: يحتاج إلى قوة أكبر للتغلب على القصور الذاتي
في هذه المحاكاة راقب الطالبة في الباص عند إيقاف الباص وتحرك الباص من جديد
مثال 1) إدارة المرور تنصح السائق وركاب السيارة بوضع حزام الأمان أثناء حركة السيارة فسر السبب
قانون نيوتن الثاني
نص قانون نيوتن الثاني على "أن محصلة القوى التي تؤثر على جسمٍ ما، ينتج عنها تسارع يتناسب طرديًا معها بينما يتناسب عكسيًا مع كتلة الجسم".
\[F=m.a\]
قانون نيوتن الثاني للحركة
الصيغة الرياضية:
القوة = الكتلة × التسارع
\[F = m \times a\]
التفسير العلمي:
يصف القانون العلاقة بين القوة المؤثرة على جسم وكتلته وتسارعه. كلما زادت القوة، زاد التسارع، بشرط ثبات الكتلة.
تطبيقات عملية:
- تسارع السيارات: عند الضغط على دواسة الوقود تزداد القوة المحركة
- إطلاق الصواريخ: يتطلب صاروخ ضخم قوة دفع هائلة
- الفرامل الهيدروليكية: تطبيق قوة كبح عكسية
في هذه المحاكاة المرحلة الأولى سوف ندرس علاقة التسارع بالقوة (بثبات الكتلة)
علاقة التسارع بالقوة (بثبات الكتلة) اعتبر \(g = 10 \frac{m}{s^2}\)
المستوى يجب أن يكون أملس (frictionless)
في المرحلة الثانية سوف ندرس علاقة التسارع بالكتلة (بثبات القوة)
وارسم الخط البياني بين التسارع ومقلوب الكتلة
قانون نيوتن الثالث
قانون نيوتن الثالث للحركة
النص العلمي للقانون:
"لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس في الاتجاه"
\(F_{1\to2} = -F_{2\to1}\)
التفسير الرياضي:
- \(F_{1\to2}\): القوة التي يؤثر بها الجسم الأول على الجسم الثاني
- \(F_{2\to1}\): القوة التي يؤثر بها الجسم الثاني على الجسم الأول
- الإشارة السالبة: تدل على عكس الاتجاه
تطبيقات عملية:
- إطلاق الصواريخ: الغازات للأسفل (فعل) → الصاروخ للأعلى (رد فعل)
- المشي على الأرض: القدم للخلف (فعل) → الأرض للأمام (رد فعل)
- حركة السيارات: الإطارات للخلف (فعل) → الطريق للأمام (رد فعل)
مثال 2) "جميع السيارات تتحرك إلى اليمين. أي منها تتسارع. أيها يتباطأ؟ أيها يتحرك بسرعة ثابتة"
تطبيقات على قوانين نيوتن
حركة جسم على مستوى أفقي
تطبيقات على قوانين نيوتن
مثال محلول - مستوى مائل
مستوى مائل أملس يميل على الأفق بزاوية \(\theta=30^\circ\)
وضع جسم على قمة المستوى المائل أحسب التسارع الذي يتحرك به الجسم
نتبع الخطوات التالية
(1) نحدد القوى المؤثرة على الجسم
(2) نرسم محاور الإحداثيات بشرط المحور الأفقي يوازي السطح الذي يتحرك عليه الجسم
(3) نحلل القوى الغير منطبقة على محاور الإحداثيات
نطبق قانون نيوتن الثاني على المحور الأفقي حيث التسارع موجود على المحور الأفقي
\[\sum F_X = m \cdot a\]
\[F_{gX} = m \cdot a\]
\[m \cdot g \cdot \sin(\theta) = m \cdot a\]
\[a = g \cdot \sin(\theta) = 9.81 \times \sin(30^\circ) = 4.9 \, m/s^2\]
الحبال والبكرات
نظام الحبل والبكرة عبارة عن أداة ميكانيكية تستخدم لنقل القوة وتغيير اتجاه الحمل
سوف نعتبر كتلة البكرة وكتلة الحبل مهملة
الجملة المادية تتحرك بنفس التسارع لأن الخيط لا يمتط وقوة الشد متساوية على طرفي الخيط
عند دراسة الجملة نحدد اتجاه الحركة ونحدد القوى المؤثرة على كل جسم
نطبق قانون نيوتن الثاني على كل جسم ونجري عملية الجمع للمعادلات حتى نحصل على تسارع الجملة
بكرة متحركة
إذا كان مركز البكرة المتحركة يعمل على حمل الوزن، فإن قوة شد الحبلين الرأسيين يساهم في رفع الجسم ويقسم الوزن على قوتي الشد.
كلما زاد عدد الأحبال الرافعة نحتاج إلى قوة أقل لرفع الجسم.
لاحظ المسافة التي يتحرك بها الحبل الذي نؤثر عليه بقوة شد تعادل ضعف المسافة التي يتحرك بها الجسم.
قوة الاحتكاك
قوة الاحتكاك هي عبارة عن مقاومة جسم للحركة؛ حيثُ يتحرك هذا الجسم على سطح جسم آخر.
قوة الاحتكاك لا تُعتبر قوة أساسية كقوة الجاذبية أو القوة الكهرومغناطيسية.
اتجاهها دوما عكس حركة الجسم وهي موازية للسطح الذي يتحرك عليه الجسم
يوجد نوعين من قوة الاحتكاك
احتكاك سكوني: وتظهر عندما نؤثر بقوة شد على الجسم ويكون الجسم ساكن
احتكاك حركي: وتظهر عندما نؤثر بقوة شد على الجسم ويكون الجسم متحرك
في هذه المحاكاة أثر بقوة شد أفقية وراقب ماذا يحدث عند تغير طبيعة السطحين المتلامسين؟
هل قوة الاحتكاك السكوني والحركي تبقى كما هي؟
مثال 1) "من خلال التجارب السابقة ماهي العوامل التي تغير من قوة الاحتكاك"
مثال 2) "حدد القوى المؤثرة على الأجسام التالية"
معامل الاحتكاك السكوني: وهو النسبة بين قوة الاحتكاك السكوني إلى القوة المتعامدة
\[\mu_S = \frac{F_S}{F_n}\]
معامل الاحتكاك الحركي: وهو النسبة بين قوة الاحتكاك الحركي إلى القوة المتعامدة
\[\mu_k = \frac{F_k}{F_n}\]
في هذه المحاكاة سوف نؤثر بقوة شد أفقية أو مائلة على جسم موضوع على مستوى أفقي خشن ونحدد مقدار معامل الاحتكاك السكوني والحركي
اعتبر قيمة \(g=9.75 \frac{m}{s^2}\)
العب وتعلم (القوى المؤثرة على صندوق تم سحبه)
Force
An external influence that acts on a body, working to change the body's shape or its state of motion
Forces in nature are divided into two types
Contact Forces
Some forces cannot occur without contact with the body
Field Forces
Some forces do not require contact with the body to occur
Comparison between Contact Forces and Field Forces
Property Contact Forces Field Forces Definition Require direct contact Act at a distance Examples Friction, Tension, Normal Gravity, Magnetic, Electric Uses Car brakes, Walking Planetary motion, Motors
Mass and Weight
Mass: The amount of matter in a body
Weight: The force applied to the body by gravity
Mass does not change with location, but weight changes according to the gravitational field
\(W=F_g=m.g\)
\(N=Kg.\frac{m}{S^2}\)
Comparison between Mass and Weight
Property Mass Weight Concept Amount of matter Force of gravity Change Constant Changes Unit Kilogram (kg) Newton (N) Use Measuring inertia Measuring force
Important Notes:
- ✅ Mass is a constant property unaffected by geographic location
- 🔄 Weight changes with changes in gravitational force
- ⚖️ Relationship: Weight = Mass × Acceleration due to gravity \(F_g = m \times g\)
Mass and Weight on the Surface of This World
In this simulation, observe the effect of weight changing with location, but mass remains constant
When you hang an object on a spring, there is a tension force equal to the weight of the object
Click on the planet first
(Reset) then click on then on the upward arrow
Net Force
It is the sum of the forces acting on the body
\[\sum \vec F_{net}=\vec F_1+\vec F_2+\vec F_3+......\vec F_n\]
It is better to take the net force on the Cartesian axes for ease
\[\sum \vec F_{X}=\vec F_{1X}+\vec F_{2X}+\vec F_{3X}+......\vec F_{nX}\]
\[\sum \vec F_{Y}=\vec F_{1Y}+\vec F_{2Y}+\vec F_{3Y}+......\vec F_{nY}\]
\[\sum \vec F_{Z}=\vec F_{1Z}+\vec F_{2Z}+\vec F_{3Z}+......\vec F_{nZ}\]
Solved Example
From the figure, determine the net force on the X-axis
We determine the forces acting on the body
We draw coordinate axes X.Y provided the horizontal axis is parallel to the plane on which the body moves
We analyze the forces that are not aligned with the coordinate axes
\(F_{1X}=F_1.\cos(30)=20\times\cos(30)=17.3 N\)
\(F_{1Y}=F_1.\sin(30)=20\times\sin(30)=10 N\)
\[\sum F_X=F_1.\cos(30)-F_3=17.3-3=14.3 N\]
Normal Force
Scientific Concept:
The Normal Force is the component of force perpendicular to the contact surface between two bodies, arising as a reaction to the pressure forces exerted by one body on another.
Cases of Appearance:
- ✅ When a stationary object is placed on a horizontal surface (like a book on a table)
- ✅ In motion on inclined surfaces (like force analysis on a slope)
- ✅ During collisions between bodies
- ✅ In rotational systems as a centripetal force
Properties:
- Direction: Always perpendicular to the contact surface
- Magnitude: Changes according to the acting force (\(F_N = mg \cos\theta\) on inclined surfaces)
- Nature: Reaction force (not a fundamental force)
Newton's Laws and Applications
Newton's First Law: Inertia
A body at rest remains at rest unless acted upon by an external force that moves it. A body moving in a straight line remains so forever unless acted upon by an external force that changes its direction of motion.
Scientific Text of the Law:
"A body at rest remains at rest, and a body moving at constant speed in a straight line remains in its state unless acted upon by an external force that changes its state of motion"
Mathematical Formula:
\[\sum F = 0 \Rightarrow a = 0\]
Practical Applications:
- Sudden braking: Passengers continue moving forward
- Sliding hockey puck: Moves longer distance due to low friction
- Pushing a heavy object: Requires more force to overcome inertia
In this simulation, observe the student on the bus when the bus stops and starts moving again
Example 1) Traffic management advises the driver and passengers of the car to wear seat belts while the car is moving. Explain the reason.
Newton's Second Law
Newton's Second Law states that "the net force acting on a body produces an acceleration that is directly proportional to it while inversely proportional to the mass of the body."
\[F=m.a\]
Newton's Second Law of Motion
Mathematical Formula:
Force = Mass × Acceleration
\[F = m \times a\]
Scientific Explanation:
The law describes the relationship between the force acting on a body, its mass, and its acceleration. The greater the force, the greater the acceleration, provided the mass is constant.
Practical Applications:
- Car acceleration: Pressing the accelerator increases the driving force
- Rocket launch: A massive rocket requires a huge thrust force
- Hydraulic brakes: Applying a reverse braking force
In this simulation, the first stage will study the relationship between acceleration and force (with constant mass)
Relationship between acceleration and force (with constant mass) consider \(g = 10 \frac{m}{s^2}\)
The plane must be smooth (frictionless)
In the second stage, we will study the relationship between acceleration and mass (with constant force)
Draw the graph between acceleration and reciprocal of mass
Newton's Third Law
Newton's Third Law of Motion
Scientific Text of the Law:
"For every action, there is an equal and opposite reaction"
\(F_{1\to2} = -F_{2\to1}\)
Mathematical Explanation:
- \(F_{1\to2}\): The force exerted by the first body on the second body
- \(F_{2\to1}\): The force exerted by the second body on the first body
- The negative sign: Indicates opposite direction
Practical Applications:
- Rocket launch: Gases downward (action) → Rocket upward (reaction)
- Walking on the ground: Foot backward (action) → Ground forward (reaction)
- Car motion: Tires backward (action) → Road forward (reaction)
Example 2) "All cars are moving to the right. Which ones are accelerating? Which ones are slowing down? Which ones are moving at constant speed?"
Applications of Newton's Laws
Motion of a body on a horizontal plane
Applications of Newton's Laws
Solved Example - Inclined Plane
A smooth inclined plane inclined to the horizontal at an angle of \(\theta=30^\circ\)
A body placed at the top of the inclined plane, calculate the acceleration with which the body moves
We follow the following steps
(1) We determine the forces acting on the body
(2) We draw coordinate axes provided the horizontal axis is parallel to the surface on which the body moves
(3) We analyze the forces not aligned with the coordinate axes
We apply Newton's Second Law on the horizontal axis where the acceleration exists on the horizontal axis
\[\sum F_X = m \cdot a\]
\[F_{gX} = m \cdot a\]
\[m \cdot g \cdot \sin(\theta) = m \cdot a\]
\[a = g \cdot \sin(\theta) = 9.81 \times \sin(30^\circ) = 4.9 \, m/s^2\]
Ropes and Pulleys
The rope and pulley system is a mechanical tool used to transfer force and change the direction of the load
We will consider the mass of the pulley and the mass of the rope negligible
The physical system moves with the same acceleration because the rope does not stretch and the tension force is equal on both ends of the rope
When studying the system, we determine the direction of motion and determine the forces acting on each body
We apply Newton's Second Law to each body and perform the addition of equations until we obtain the acceleration of the system
Movable Pulley
If the center of the movable pulley carries the weight, then the tension force of the two vertical ropes contributes to lifting the body and divides the weight between the two tension forces.
The more lifting ropes, the less force needed to lift the body.
Note that the distance moved by the rope on which we exert a tension force is twice the distance moved by the body.
Friction Force
The friction force is the resistance of a body to motion; where this body moves on the surface of another body.
The friction force is not considered a fundamental force like gravity or electromagnetic force.
Its direction is always opposite to the motion of the body and parallel to the surface on which the body moves
There are two types of friction force
Static friction: Appears when we exert a tension force on the body and the body is stationary
Kinetic friction: Appears when we exert a tension force on the body and the body is moving
In this simulation, exert a horizontal tension force and observe what happens when the nature of the two contacting surfaces changes.
Do static and kinetic friction forces remain the same?
Example 1) "From the previous experiments, what are the factors that change the friction force?"
Example 2) "Determine the forces acting on the following bodies"
Coefficient of static friction: The ratio of the static friction force to the normal force
\[\mu_S = \frac{F_S}{F_n}\]
Coefficient of kinetic friction: The ratio of the kinetic friction force to the normal force
\[\mu_k = \frac{F_k}{F_n}\]
In this simulation, we will exert a horizontal or inclined tension force on a body placed on a rough horizontal plane and determine the value of the static and kinetic friction coefficients.
Consider the value \(g=9.75 \frac{m}{s^2}\)
Play and Learn (Forces acting on a pulled box)
القوة
|
:عبارة عن مؤثر خارجي يؤثر على الجسم يعمل على تغير شكل الجسم أو تغير من الحالة الحركية للجسم
تقسم القوى في الطبيعة إلى نوعين
قوى التلامس
بعض القوى لا يمكن أن تحدث دون ملامسة الجسم
قوى المجال
وبعض القوى ليست بحاجة إلى ملامسة الجسم كي تحدث
مقارنة بين قوى التماس وقوى المجال
| الخاصية | قوى التماس | قوى المجال |
|---|---|---|
| التعريف | قوى تتطلب تلامساً مباشراً | قوى تعمل عن بعد |
| الأمثلة | الاحتكاك، الشد، العمودية | الجاذبية، المغناطيسية، الكهربائية |
| الاستخدامات | فرامل السيارات، المشي | حركة الكواكب، المحركات |
الكتلة: هي مقدار المادة في الجسم
الوزن: هو القوة المطبقة على الجسم من قبل الجاذبية
الكتلة لا تتغير بتغير المكان ولكن الوزن يتغير حسب مجال الجاذبية
\(W=F_g=m.g\)
\(N=Kg.\frac{m}{S^2}\)
المقارنة بين الكتلة والوزن
| الخاصية | الكتلة | الوزن |
|---|---|---|
| المفهوم | كمية المادة | قوة الجاذبية |
| التغير | ثابتة | تتغير |
| الوحدة | كيلوجرام (kg) | نيوتن (N) |
| الاستخدام | قياس القصور الذاتي | قياس القوة المؤثرة |
ملاحظات هامة:
- ✅ الكتلة خاصية ثابتة لا تتأثر بالموقع الجغرافي
- 🔄 الوزن يتغير مع تغير قوة الجاذبية
- ⚖️ العلاقة بينهما: الوزن = الكتلة × تسارع الجاذبية \(F_g = m \times g\)
في هذه المحاكاة لاحظ أثر تغير الوزن بتغير المكان ولكن الكتلة تبقى ثابتة
عندما تعلق جسم بزنبرك هناك قوة شد تعادل وزن الجسم
إضغط على الكوكب أولا
(Reset) ثم إضغط على ثم على السهم المتجه نحو الأعلى
وهي مجموع القوى المؤثرة على الجسم
\[\sum \vec F_{net}=\vec F_1+\vec F_2+\vec F_3+......\vec F_n\]
من الأفضل أن نأخذ محصلة القوى على المحاور الديكارتية للسهولة
\[\sum \vec F_{X}=\vec F_{1X}+\vec F_{2X}+\vec F_{3X}+......\vec F_{nX}\]
\[\sum \vec F_{Y}=\vec F_{1Y}+\vec F_{2Y}+\vec F_{3Y}+......\vec F_{nY}\]
\[\sum \vec F_{Z}=\vec F_{1Z}+\vec F_{2Z}+\vec F_{3Z}+......\vec F_{nZ}\]
من خلال الشكل حدد محصلة القوى على المحور X
نحدد القوى المؤثرة على الجسم
نرسم محاور إحداثيات X.Y بشرط المحور الأفقي يوازي المستوى الذي يتحرك عليه الجسم
نحلل القوى التي لا تنطبق على محاور الإحداثيات
\(F_{1X}=F_1.\cos(30)=20\times\cos(30)=17.3 N\)
\(F_{1Y}=F_1.\sin(30)=20\times\sin(30)=10 N\)
\[\sum F_X=F_1.\cos(30)-F_3=17.3-3=14.3 N\]
القوة المتعامدة (القوة العمودية)
المفهوم العلمي:
القوة المتعامدة (Normal Force) هي مكون القوة العمودي على سطح التماس بين جسمين، تنشأ كرد فعل لقوى الضغط التي يمارسها جسم على سطح آخر.
حالات ظهورها:
- ✅ عندما يوضع جسم ثابت على سطح أفقي (مثل كتاب على طاولة)
- ✅ في الحركة على الأسطح المائلة (مثل تحليل القوى على منحدر)
- ✅ أثناء التصادمات بين الأجسام
- ✅ في الأنظمة الدورانية كقوة جابذة
خصائصها:
- اتجاهها: عمودي دائمًا على سطح التماس
- مقدارها: يتغير حسب القوة المؤثرة (\(F_N = mg \cos\theta\) في الأسطح المائلة)
- طبيعتها: قوة رد فعل (ليست قوة أساسية)
قوانين نيوتن وتطبيقات على قوانين نيوتن
قانون نيوتن الأول: القصور الذاتي
ينص قانون نيوتن الأول: الجسم الساكن يبقى ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوة خارجية فتحركه، والجسم المتحرك في خط مستقيم يبقى كذلك للأبد ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من اتجاه حركته.
نتائج قانون نيوتن الأول:
النص العلمي للقانون:
"يظل الجسم الساكن ساكنًا، والجسم المتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم يظل على حالته ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالته الحركية"
الصيغة الرياضية:
\[\sum F = 0 \Rightarrow a = 0\]
تطبيقات عملية:
- الفرملة المفاجئة: يستمر الركاب في الحركة للأمام
- انزلاق قرص الهوكي: يتحرك لمسافة أطول بسبب قلة الاحتكاك
- صعوبة دفع جسم ثقيل: يحتاج إلى قوة أكبر للتغلب على القصور الذاتي
في هذه المحاكاة راقب الطالبة في الباص عند إيقاف الباص وتحرك الباص من جديد
مثال 1) إدارة المرور تنصح السائق وركاب السيارة بوضع حزام الأمان أثناء حركة السيارة فسر السبب
اضغط هنا تظهر طريقة الحل
قانون نيوتن الثاني
نص قانون نيوتن الثاني على "أن محصلة القوى التي تؤثر على جسمٍ ما، ينتج عنها تسارع يتناسب طرديًا معها بينما يتناسب عكسيًا مع كتلة الجسم".
\[F=m.a\]
قانون نيوتن الثاني للحركة
الصيغة الرياضية:
القوة = الكتلة × التسارع
\[F = m \times a\]
التفسير العلمي:
يصف القانون العلاقة بين القوة المؤثرة على جسم وكتلته وتسارعه. كلما زادت القوة، زاد التسارع، بشرط ثبات الكتلة.
تطبيقات عملية:
- تسارع السيارات: عند الضغط على دواسة الوقود تزداد القوة المحركة
- إطلاق الصواريخ: يتطلب صاروخ ضخم قوة دفع هائلة
- الفرامل الهيدروليكية: تطبيق قوة كبح عكسية
في هذه المحاكاة المرحلة الأولى سوف ندرس علاقة التسارع بالقوة (بثبات الكتلة)
علاقة التسارع بالقوة (بثبات الكتلة) اعتبر \(g = 10 \frac{m}{s^2}\)
المستوى يجب أن يكون أملس (frictionless)
في المرحلة الثانية سوف ندرس علاقة التسارع بالكتلة (بثبات القوة)
وارسم الخط البياني بين التسارع ومقلوب الكتلة
قانون نيوتن الثالث
قانون نيوتن الثالث للحركة
النص العلمي للقانون:
"لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس في الاتجاه"
\(F_{1\to2} = -F_{2\to1}\)
التفسير الرياضي:
- \(F_{1\to2}\): القوة التي يؤثر بها الجسم الأول على الجسم الثاني
- \(F_{2\to1}\): القوة التي يؤثر بها الجسم الثاني على الجسم الأول
- الإشارة السالبة: تدل على عكس الاتجاه
تطبيقات عملية:
- إطلاق الصواريخ: الغازات للأسفل (فعل) → الصاروخ للأعلى (رد فعل)
- المشي على الأرض: القدم للخلف (فعل) → الأرض للأمام (رد فعل)
- حركة السيارات: الإطارات للخلف (فعل) → الطريق للأمام (رد فعل)
مثال 2) "جميع السيارات تتحرك إلى اليمين. أي منها تتسارع. أيها يتباطأ؟ أيها يتحرك بسرعة ثابتة"
تطبيقات على قوانين نيوتن
حركة جسم على مستوى أفقي
تطبيقات على قوانين نيوتن
مستوى مائل أملس يميل على الأفق بزاوية \(\theta=30^\circ\)
وضع جسم على قمة المستوى المائل أحسب التسارع الذي يتحرك به الجسم
نتبع الخطوات التالية
(1) نحدد القوى المؤثرة على الجسم
(2) نرسم محاور الإحداثيات بشرط المحور الأفقي يوازي السطح الذي يتحرك عليه الجسم
(3) نحلل القوى الغير منطبقة على محاور الإحداثيات
نطبق قانون نيوتن الثاني على المحور الأفقي حيث التسارع موجود على المحور الأفقي
\[\sum F_X = m \cdot a\]
\[F_{gX} = m \cdot a\]
\[m \cdot g \cdot \sin(\theta) = m \cdot a\]
\[a = g \cdot \sin(\theta) = 9.81 \times \sin(30^\circ) = 4.9 \, m/s^2\]
نظام الحبل والبكرة عبارة عن أداة ميكانيكية تستخدم لنقل القوة وتغيير اتجاه الحمل
سوف نعتبر كتلة البكرة وكتلة الحبل مهملة
الجملة المادية تتحرك بنفس التسارع لأن الخيط لا يمتط وقوة الشد متساوية على طرفي الخيط
عند دراسة الجملة نحدد اتجاه الحركة ونحدد القوى المؤثرة على كل جسم
نطبق قانون نيوتن الثاني على كل جسم ونجري عملية الجمع للمعادلات حتى نحصل على تسارع الجملة
إذا كان مركز البكرة المتحركة يعمل على حمل الوزن، فإن قوة شد الحبلين الرأسيين يساهم في رفع الجسم ويقسم الوزن على قوتي الشد.
كلما زاد عدد الأحبال الرافعة نحتاج إلى قوة أقل لرفع الجسم.
لاحظ المسافة التي يتحرك بها الحبل الذي نؤثر عليه بقوة شد تعادل ضعف المسافة التي يتحرك بها الجسم.
قوة الاحتكاك هي عبارة عن مقاومة جسم للحركة؛ حيثُ يتحرك هذا الجسم على سطح جسم آخر.
قوة الاحتكاك لا تُعتبر قوة أساسية كقوة الجاذبية أو القوة الكهرومغناطيسية.
اتجاهها دوما عكس حركة الجسم وهي موازية للسطح الذي يتحرك عليه الجسم
يوجد نوعين من قوة الاحتكاك
احتكاك سكوني: وتظهر عندما نؤثر بقوة شد على الجسم ويكون الجسم ساكن
احتكاك حركي: وتظهر عندما نؤثر بقوة شد على الجسم ويكون الجسم متحرك
هل قوة الاحتكاك السكوني والحركي تبقى كما هي؟
مثال 1) "من خلال التجارب السابقة ماهي العوامل التي تغير من قوة الاحتكاك"
مثال 2) "حدد القوى المؤثرة على الأجسام التالية"
معامل الاحتكاك السكوني: وهو النسبة بين قوة الاحتكاك السكوني إلى القوة المتعامدة
\[\mu_S = \frac{F_S}{F_n}\]
معامل الاحتكاك الحركي: وهو النسبة بين قوة الاحتكاك الحركي إلى القوة المتعامدة
\[\mu_k = \frac{F_k}{F_n}\]
اعتبر قيمة \(g=9.75 \frac{m}{s^2}\)
العب وتعلم (القوى المؤثرة على صندوق تم سحبه)
An external influence that acts on a body, working to change the body's shape or its state of motion
Forces in nature are divided into two types
Contact Forces
Some forces cannot occur without contact with the body
Field Forces
Some forces do not require contact with the body to occur
Comparison between Contact Forces and Field Forces
| Property | Contact Forces | Field Forces |
|---|---|---|
| Definition | Require direct contact | Act at a distance |
| Examples | Friction, Tension, Normal | Gravity, Magnetic, Electric |
| Uses | Car brakes, Walking | Planetary motion, Motors |
Mass: The amount of matter in a body
Weight: The force applied to the body by gravity
Mass does not change with location, but weight changes according to the gravitational field
\(W=F_g=m.g\)
\(N=Kg.\frac{m}{S^2}\)
Comparison between Mass and Weight
| Property | Mass | Weight |
|---|---|---|
| Concept | Amount of matter | Force of gravity |
| Change | Constant | Changes |
| Unit | Kilogram (kg) | Newton (N) |
| Use | Measuring inertia | Measuring force |
Important Notes:
- ✅ Mass is a constant property unaffected by geographic location
- 🔄 Weight changes with changes in gravitational force
- ⚖️ Relationship: Weight = Mass × Acceleration due to gravity \(F_g = m \times g\)
In this simulation, observe the effect of weight changing with location, but mass remains constant
When you hang an object on a spring, there is a tension force equal to the weight of the object
Click on the planet first
(Reset) then click on then on the upward arrow
It is the sum of the forces acting on the body
\[\sum \vec F_{net}=\vec F_1+\vec F_2+\vec F_3+......\vec F_n\]
It is better to take the net force on the Cartesian axes for ease
\[\sum \vec F_{X}=\vec F_{1X}+\vec F_{2X}+\vec F_{3X}+......\vec F_{nX}\]
\[\sum \vec F_{Y}=\vec F_{1Y}+\vec F_{2Y}+\vec F_{3Y}+......\vec F_{nY}\]
\[\sum \vec F_{Z}=\vec F_{1Z}+\vec F_{2Z}+\vec F_{3Z}+......\vec F_{nZ}\]
From the figure, determine the net force on the X-axis
We determine the forces acting on the body
We draw coordinate axes X.Y provided the horizontal axis is parallel to the plane on which the body moves
We analyze the forces that are not aligned with the coordinate axes
\(F_{1X}=F_1.\cos(30)=20\times\cos(30)=17.3 N\)
\(F_{1Y}=F_1.\sin(30)=20\times\sin(30)=10 N\)
\[\sum F_X=F_1.\cos(30)-F_3=17.3-3=14.3 N\]
Normal Force
Scientific Concept:
The Normal Force is the component of force perpendicular to the contact surface between two bodies, arising as a reaction to the pressure forces exerted by one body on another.
Cases of Appearance:
- ✅ When a stationary object is placed on a horizontal surface (like a book on a table)
- ✅ In motion on inclined surfaces (like force analysis on a slope)
- ✅ During collisions between bodies
- ✅ In rotational systems as a centripetal force
Properties:
- Direction: Always perpendicular to the contact surface
- Magnitude: Changes according to the acting force (\(F_N = mg \cos\theta\) on inclined surfaces)
- Nature: Reaction force (not a fundamental force)
Newton's Laws and Applications
Newton's First Law: Inertia
A body at rest remains at rest unless acted upon by an external force that moves it. A body moving in a straight line remains so forever unless acted upon by an external force that changes its direction of motion.
Scientific Text of the Law:
"A body at rest remains at rest, and a body moving at constant speed in a straight line remains in its state unless acted upon by an external force that changes its state of motion"
Mathematical Formula:
\[\sum F = 0 \Rightarrow a = 0\]
Practical Applications:
- Sudden braking: Passengers continue moving forward
- Sliding hockey puck: Moves longer distance due to low friction
- Pushing a heavy object: Requires more force to overcome inertia
In this simulation, observe the student on the bus when the bus stops and starts moving again
Example 1) Traffic management advises the driver and passengers of the car to wear seat belts while the car is moving. Explain the reason.
Newton's Second Law
Newton's Second Law states that "the net force acting on a body produces an acceleration that is directly proportional to it while inversely proportional to the mass of the body."
\[F=m.a\]
Newton's Second Law of Motion
Mathematical Formula:
Force = Mass × Acceleration
\[F = m \times a\]
Scientific Explanation:
The law describes the relationship between the force acting on a body, its mass, and its acceleration. The greater the force, the greater the acceleration, provided the mass is constant.
Practical Applications:
- Car acceleration: Pressing the accelerator increases the driving force
- Rocket launch: A massive rocket requires a huge thrust force
- Hydraulic brakes: Applying a reverse braking force
In this simulation, the first stage will study the relationship between acceleration and force (with constant mass)
Relationship between acceleration and force (with constant mass) consider \(g = 10 \frac{m}{s^2}\)
The plane must be smooth (frictionless)
In the second stage, we will study the relationship between acceleration and mass (with constant force)
Draw the graph between acceleration and reciprocal of mass
Newton's Third Law
Newton's Third Law of Motion
Scientific Text of the Law:
"For every action, there is an equal and opposite reaction"
\(F_{1\to2} = -F_{2\to1}\)
Mathematical Explanation:
- \(F_{1\to2}\): The force exerted by the first body on the second body
- \(F_{2\to1}\): The force exerted by the second body on the first body
- The negative sign: Indicates opposite direction
Practical Applications:
- Rocket launch: Gases downward (action) → Rocket upward (reaction)
- Walking on the ground: Foot backward (action) → Ground forward (reaction)
- Car motion: Tires backward (action) → Road forward (reaction)
Example 2) "All cars are moving to the right. Which ones are accelerating? Which ones are slowing down? Which ones are moving at constant speed?"
Applications of Newton's Laws
Motion of a body on a horizontal plane
Applications of Newton's Laws
A smooth inclined plane inclined to the horizontal at an angle of \(\theta=30^\circ\)
A body placed at the top of the inclined plane, calculate the acceleration with which the body moves
We follow the following steps
(1) We determine the forces acting on the body
(2) We draw coordinate axes provided the horizontal axis is parallel to the surface on which the body moves
(3) We analyze the forces not aligned with the coordinate axes
We apply Newton's Second Law on the horizontal axis where the acceleration exists on the horizontal axis
\[\sum F_X = m \cdot a\]
\[F_{gX} = m \cdot a\]
\[m \cdot g \cdot \sin(\theta) = m \cdot a\]
\[a = g \cdot \sin(\theta) = 9.81 \times \sin(30^\circ) = 4.9 \, m/s^2\]
The rope and pulley system is a mechanical tool used to transfer force and change the direction of the load
We will consider the mass of the pulley and the mass of the rope negligible
The physical system moves with the same acceleration because the rope does not stretch and the tension force is equal on both ends of the rope
When studying the system, we determine the direction of motion and determine the forces acting on each body
We apply Newton's Second Law to each body and perform the addition of equations until we obtain the acceleration of the system
If the center of the movable pulley carries the weight, then the tension force of the two vertical ropes contributes to lifting the body and divides the weight between the two tension forces.
The more lifting ropes, the less force needed to lift the body.
Note that the distance moved by the rope on which we exert a tension force is twice the distance moved by the body.
The friction force is the resistance of a body to motion; where this body moves on the surface of another body.
The friction force is not considered a fundamental force like gravity or electromagnetic force.
Its direction is always opposite to the motion of the body and parallel to the surface on which the body moves
There are two types of friction force
Static friction: Appears when we exert a tension force on the body and the body is stationary
Kinetic friction: Appears when we exert a tension force on the body and the body is moving
Do static and kinetic friction forces remain the same?
Example 1) "From the previous experiments, what are the factors that change the friction force?"
Example 2) "Determine the forces acting on the following bodies"
Coefficient of static friction: The ratio of the static friction force to the normal force
\[\mu_S = \frac{F_S}{F_n}\]
Coefficient of kinetic friction: The ratio of the kinetic friction force to the normal force
\[\mu_k = \frac{F_k}{F_n}\]
Consider the value \(g=9.75 \frac{m}{s^2}\)
Play and Learn (Forces acting on a pulled box)
جزاك الله خير
ReplyDelete