مفهوم القوة وقياسها — الدينامومتر، محصلة القوى، وشرط توازن جسم صلب تحت تأثير قوتين — العلوم الفيزيائية — السنة الثالثة متوسط — المنهاج الجزائري

مقدمة

في الدرس السابق، تعرفنا على مفهوم القوة وتأثيراتها. في هذا الدرس، سنتعمق في دراسة القوة من حيث كيفية قياسها، وكيفية حساب محصلة القوى، وشروط توازن جسم صلب تحت تأثير عدة قوى. هذه المفاهيم أساسية لفهم الميكانيكا والعديد من الظواهر الفيزيائية في حياتنا.

أهداف التعلم

• أن يتعرف التلميذ على جهاز قياس القوة (الدينامومتر).
• أن يحسب محصلة قوتين لهما نفس خط التأثير.
• أن يطبق شرط توازن جسم صلب تحت تأثير قوتين.
• أن يحل تمارين ومسائل على القوى.

أولاً: قياس القوة بالدينامومتر

الدينامومتر هو جهاز يستخدم لقياس شدة القوة. يعتمد مبدأ عمله على استطالة نابض مرن تتناسب طرداً مع شدة القوة المؤثرة (قانون هوك).

• يتكون الدينامومتر من: نابض، خطاف للتعليق، مؤشر، تدريج بوحدة النيوتن (N).
• طريقة الاستخدام: نعلق الجسم المراد قياس وزنه بالخطاف، ونقرأ القيمة التي يشير إليها المؤشر.
• مدى القياس: لكل دينامومتر مدى معين لا يجب تجاوزه حتى لا يتلف النابض.

ثانياً: محصلة القوى

محصلة القوى هي قوة وحدة تعادل تأثير مجموعة من القوى المؤثرة على جسم واحد.

حالة قوتين لهما نفس خط التأثير

1. القوتان في نفس الاتجاه:

• المحصلة = F₁ + F₂ (جمع الشدتين).
• اتجاه المحصلة = اتجاه القوتين.
• مثال: إذا دفع شخصان صندوقاً بقوتين 20N و 30N في نفس الاتجاه، فالمحصلة = 20 + 30 = 50N.

2. القوتان في اتجاهين متعاكسين:

• المحصلة = |F₁ – F₂| (القيمة المطلقة للفرق).
• اتجاه المحصلة = اتجاه القوة الأكبر.
• مثال: إذا دفع شخص صندوقاً بقوة 40N نحو اليمين، وشخص آخر بقوة 25N نحو اليسار، فالمحصلة = 40 – 25 = 15N نحو اليمين.

ثالثاً: شرط توازن جسم صلب تحت تأثير قوتين

يكون جسم صلب في حالة توازن (ساكن أو حركة منتظمة مستقيمة) تحت تأثير قوتين إذا تحقق الشرطان التاليان معاً:

1. القوتان متساويتان في الشدة: F₁ = F₂
2. القوتان متعاكستان في الاتجاه: لهما نفس خط التأثير وجهاً لوجه.

إذا تحقق هذان الشرطان، فإن محصلة القوى تكون معدومة (R = 0).

أمثلة على التوازن:

• كتاب موضوع على طاولة: قوة وزنه إلى أسفل تعادلها قوة رد فعل الطاولة إلى أعلى.
• مصباح معلق بسقف: قوة وزنه إلى أسفل تعادلها قوة توتر الحبل إلى أعلى.

أمثلة محلولة

المثال 1:

جسم وزنه 15N معلق بخيط. أحسب شدة قوة التوتر في الخيط عندما يكون الجسم ساكناً.

الحل: الجسم في حالة توازن، إذن قوة التوتر T = قوة الوزن P = 15N (لأعلى).

المثال 2:

تؤثر قوتان على جسم: F₁ = 12N نحو الشرق، F₂ = 7N نحو الغرب. أحسب المحصلة وحدد اتجاهها.

الحل: المحصلة R = 12 – 7 = 5N نحو الشرق.

تمارين تطبيقية

1. ما هو جهاز قياس القوة؟ وما مبدأ عمله؟
2. تؤثر قوتان على جسم في نفس الاتجاه: 25N و 35N. أحسب المحصلة.
3. جسم يؤثر عليه قوتان: 18N نحو اليمين و 10N نحو اليسار. أحسب المحصلة واتجاهها.
4. إذا كان وزن جسم 50N وكان معلقاً بحبل في حالة سكون، فما شدة قوة التوتر في الحبل؟
5. أذكر شرطي توازن جسم صلب تحت تأثير قوتين.

الخلاصة

• يقاس شدة القوة بالدينامومتر، ووحدتها النيوتن (N).
• محصلة قوتين في نفس الاتجاه = مجموعهما. في اتجاهين متعاكسين = الفرق بينهما.
• شرط توازن جسم تحت تأثير قوتين: متساويتان في الشدة ومتعاكستان في الاتجاه.
• عند التوازن تكون محصلة القوى معدومة (R = 0).