الديناميات: التاريخ ، ما يدرسه ، القوانين والنظريات - جسدي - بدني - 2025

و ديناميكية هي مجال الميكانيكا الذي يدرس التفاعلات بين الهيئات وآثارها. إنه يتعامل مع وصفها نوعياً وكمياً ، فضلاً عن التنبؤ بكيفية تطورها بمرور الوقت.

من خلال تطبيق مبادئه ، من المعروف كيف يتم تعديل حركة الجسم عند التفاعل مع الآخرين ، وأيضًا إذا كانت هذه التفاعلات تشوهها ، لأنه من الممكن تمامًا حدوث كلا التأثيرين في نفس الوقت.

الشكل 1. التفاعلات على الدراج تعدل حركته. المصدر: Pixabay.

سادت معتقدات الفيلسوف اليوناني العظيم أرسطو (384-322 قبل الميلاد) كأساس للديناميكيات في الغرب لعدة قرون. كان يعتقد أن الأشياء تتحرك بسبب نوع من الطاقة التي تدفعها في اتجاه أو آخر.

كما لاحظ أنه أثناء دفع الجسم ، فإنه يتحرك بسرعة ثابتة ، ولكن عند توقف الدفع ، فإنه يتحرك ببطء أكثر حتى يتوقف.

وفقًا لأرسطو ، كان عمل القوة الثابتة ضروريًا لجعل شيء ما يتحرك بسرعة ثابتة ، لكن ما يحدث هو أن هذا الفيلسوف لم يكن لديه آثار الاحتكاك.

كانت فكرة أخرى عنه هي أن الأجسام الثقيلة تسقط أسرع من الأجسام الأخف. كان جاليليو جاليلي العظيم (1564-1642) هو الذي أظهر من خلال التجارب أن جميع الأجسام تسقط بنفس التسارع بغض النظر عن كتلتها ، متجاهلاً التأثيرات اللزجة.

لكن إسحاق نيوتن (1642-1727) ، أبرز عالم عاش على الإطلاق ، يُعتبر أب الديناميات الحديثة والحسابات الرياضية ، إلى جانب جوتفريد لايبنتز.

الشكل 2. إسحاق نيوتن عام 1682 بواسطة Godfrey Kneller. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

قوانينها الشهيرة ، التي تمت صياغتها خلال القرن السابع عشر ، لا تزال صالحة وحديثة اليوم. إنها أساس الميكانيكا الكلاسيكية ، التي نراها ونؤثر علينا كل يوم. سيتم مناقشة هذه القوانين قريبا.

ماذا تدرس الديناميكيات؟

ديناميكيات تدرس التفاعل بين الأشياء. عندما تتفاعل الأشياء هناك تغييرات في حركتها وتشوهات. منطقة معينة تسمى ثابتة مخصصة لتلك الأنظمة في حالة توازن ، تلك التي تكون في حالة راحة أو بحركة مستقيمة منتظمة.

من خلال تطبيق مبادئ الديناميكيات ، من الممكن التنبؤ ، عن طريق المعادلات ، بما ستكون عليه التغييرات وتطور الأشياء في الوقت المناسب. للقيام بذلك ، يتم وضع بعض الافتراضات اعتمادًا على نوع النظام المراد دراسته.

الجسيمات والمواد الصلبة الصلبة والوسائط المستمرة

نموذج الجسيمات هو الأبسط لبدء تطبيق مبادئ الديناميكيات. يفترض فيه أن الكائن المراد دراسته له كتلة ، لكن ليس له أبعاد. لذلك يمكن أن يكون الجسيم صغيرًا مثل الإلكترون أو بحجم الأرض أو الشمس.

عندما تريد ملاحظة تأثير الحجم على الديناميكيات ، فمن الضروري مراعاة حجم وشكل الكائنات. النموذج الذي يأخذ هذا في الاعتبار هو نموذج صلب صلب ، جسم ذو أبعاد قابلة للقياس يتكون من العديد من الجسيمات ، لكنه لا يتشوه تحت تأثير القوى.

أخيرًا ، لا تأخذ آليات الوسائط المستمرة في الحسبان أبعاد الكائن فحسب ، بل أيضًا خصائصه الخاصة ، بما في ذلك قدرته على التشوه. تشمل الوسائط المستمرة المواد الصلبة الصلبة وغير الصلبة ، وكذلك السوائل.

قوانين نيوتن

إن مفتاح فهم كيفية عمل الديناميكيات هو الفهم الشامل لقوانين نيوتن ، التي تربط كميًا القوى المؤثرة على الجسم بالتغيرات في حالة حركته أو سكونه.

قانون نيوتن الأول

شرح قانون نيوتن الأول. المصدر: عصامي.

يقول ذلك:

يبدو الجزء الأول من البيان واضحًا تمامًا ، لأنه من الواضح أن الكائن الساكن سيبقى على هذا النحو ، ما لم يتم إزعاجه. ولهذا فإن القوة مطلوبة.

من ناحية أخرى ، فإن حقيقة أن الجسم يستمر في الحركة حتى عندما تكون القوة الكلية عليه هي صفر يصعب قبولها ، حيث يبدو أن الجسم يمكن أن يظل في حالة حركة إلى أجل غير مسمى. وتخبرنا التجربة اليومية أن الأمور تتباطأ عاجلاً أم آجلاً.

الجواب على هذا التناقض الظاهري هو الاحتكاك. في الواقع ، إذا كان جسم ما يتحرك على سطح أملس تمامًا ، فيمكنه القيام بذلك إلى أجل غير مسمى ، بافتراض أنه لا توجد قوة أخرى تسبب تغير الحركة.

نظرًا لأنه من المستحيل القضاء على الاحتكاك تمامًا ، فإن الحالة التي يتحرك فيها الجسم إلى أجل غير مسمى بسرعة ثابتة هي حالة مثالية.

أخيرًا ، من المهم ملاحظة أنه على الرغم من أن صافي القوة يساوي صفرًا ، إلا أن هذا لا يمثل بالضرورة الغياب التام للقوى على الجسم.

تتعرض الأجسام الموجودة على سطح الأرض دائمًا لجاذبية الجاذبية. الكتاب الذي يستريح على الطاولة يبقى على هذا النحو ، لأن سطح الطاولة يمارس قوة تتصدى للوزن.

قانون نيوتن الثاني

شرح قانون نيوتن الثاني. المصدر: عصامي.

يحدد قانون نيوتن الأول ما يحدث لجسم تكون فيه الشبكة أو القوة المحصلة صفرًا. الآن يشير القانون الأساسي للديناميكيات أو قانون نيوتن الثاني إلى ما سيحدث عندما لا تلغي القوة الكلية:

في الواقع ، كلما زادت القوة المطبقة ، زاد التغيير في سرعة الجسم. وإذا تم تطبيق نفس القوة على أجسام ذات كتل مختلفة ، فإن أكبر التغييرات ستختبرها الأجسام الأخف وزنًا والأسهل في الحركة. تتفق التجربة اليومية مع هذه العبارات.

قانون نيوتن الثالث

يتلقى صاروخ فضائي الدفع اللازم بفضل الغازات المنبعثة. المصدر: Pixabay.

يشير أول قانونين لنيوتن إلى كائن واحد. لكن القانون الثالث يشير إلى شيئين. سنسميهم الكائن 1 والعنصر 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

في الواقع ، عندما يتأثر جسم بقوة ما ، فذلك لأن شخصًا آخر مسؤول عن إحداثها. وهكذا ، فإن الأجسام الموجودة على الأرض لها وزن ، لأنها تجذبها نحو مركزها. يتم صد الشحنة الكهربائية بواسطة شحنة أخرى من نفس العلامة ، لأنها تمارس قوة طاردة للشحنة الأولى ، وهكذا.

الشكل 3. ملخص لقوانين نيوتن. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. هوغو 4914.

مبادئ الحفظ

في الديناميات هناك العديد من الكميات المحفوظة أثناء الحركة والتي تعتبر دراستها ضرورية. إنها تشبه العمود الصلب الذي يمكن ربطه لحل المشكلات التي تختلف فيها القوى بطرق معقدة للغاية.

مثال: فقط عندما تصطدم مركبتان ، يكون التفاعل بينهما شديدًا جدًا ولكنه قصير. شديدة لدرجة أنه لا يلزم أخذ أي قوى أخرى في الاعتبار ، وبالتالي يمكن اعتبار المركبات كنظام معزول.

لكن وصف هذا التفاعل المكثف ليس بالمهمة السهلة ، لأنه يتضمن قوى تختلف في الزمان والمكان أيضًا. ومع ذلك ، بافتراض أن المركبات تشكل نظامًا معزولًا ، فإن القوى بينهما داخلية ، ويتم الحفاظ على الزخم.

من خلال الحفاظ على الزخم ، يمكن التنبؤ بكيفية تحرك المركبات بعد الاصطدام مباشرة.

فيما يلي أهم مبادئ الحفظ في Dynamics:

الحفاظ على الطاقة

في الطبيعة ، هناك نوعان من القوى: محافظة وغير محافظة. الوزن مثال جيد على الأول ، بينما الاحتكاك مثال جيد على الثاني.

حسنًا ، تتميز القوى المحافظة لأنها توفر إمكانية تخزين الطاقة في تكوين النظام. إنه ما يسمى بالطاقة الكامنة.

عندما يكون لدى الجسم طاقة كامنة بفضل عمل القوة المحافظة مثل الوزن وتدخل في الحركة ، يتم تحويل هذه الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية. يُطلق على مجموع كلتا الطاقتين الطاقة الميكانيكية للنظام وهي الطاقة المحفوظة ، أي أنها تظل ثابتة.

لنفترض أن U هي الطاقة الكامنة ، و K الطاقة الحركية ، و E _m الطاقة الميكانيكية. إذا كانت القوى المحافظة فقط تعمل على شيء ما ، فمن الصحيح أن:

هكذا:

الحفاظ على الزخم

هذا المبدأ لا ينطبق فقط عند اصطدام مركبتين. إنه قانون فيزياء ذو ​​نطاق يتجاوز العالم المجهري.

يتم الحفاظ على الزخم على مستوى الأنظمة الشمسية والنجمية والمجرية. وهي تفعل ذلك أيضًا على مستوى الذرة ونواة الذرة ، على الرغم من حقيقة أن ميكانيكا نيوتن لم تعد صالحة هناك.

دع P يكون متجه الزخم المعطى بواسطة:

P = م. الخامس

اشتقاق P فيما يتعلق بالوقت:

إذا ظلت الكتلة ثابتة:

لذلك يمكننا كتابة قانون نيوتن الثاني على النحو التالي:

_صافي F = d P / dt

إذا كان جسمان م ₁ و م ₂ يشكلان نظامًا معزولًا ، فإن القوى بينهما تكون داخلية ووفقًا لقانون نيوتن الثالث ، فإنهما متساويتان ومعاكسة لـ F ₁ = - F ₂ ، وتحقيق ما يلي:

إذا كان المشتق بالنسبة إلى وقت مقدار ما يساوي صفرًا ، فهذا يعني أن المقدار يظل ثابتًا. لذلك ، في نظام معزول ، يمكن القول أن زخم النظام محفوظ:

P ₁ + P ₂ = ثابت

ومع ذلك ، يمكن أن تختلف P ₁ و P ₂ بشكل فردي. يمكن إعادة توزيع زخم النظام ، ولكن ما يهم هو أن مجموعها يبقى دون تغيير.

مفاهيم مميزة في الديناميات

هناك العديد من المفاهيم المهمة في الديناميات ، لكن يبرز اثنان منها: الكتلة والقوة. على القوة التي تم التعليق عليها سابقًا وأدناه توجد قائمة بأبرز المفاهيم التي تظهر بجانبها في دراسة الديناميكيات:

التعطيل

إنها الخاصية التي يجب على الأشياء أن تقاوم التغييرات في حالة الراحة أو الحركة. جميع الأجسام ذات الكتلة تعاني من القصور الذاتي ويتم الشعور به كثيرًا ، على سبيل المثال عند السفر في سيارة متسارعة ، يميل الركاب إلى البقاء في حالة من الراحة ، وهو ما يُنظر إليه على أنه إحساس بالالتصاق بظهر المقعد.

وإذا توقفت السيارة بشكل مفاجئ ، يميل الركاب إلى الانقلاب ، متبعين الحركة الأمامية التي كانت لديهم من قبل ، لذلك من المهم دائمًا ارتداء أحزمة الأمان.

الشكل 4. عند السفر بالسيارة ، يتسبب القصور الذاتي في تحطم السيارة عند فرملة السيارة بحدة. المصدر: Pixabay.

كتلة

الكتلة هي مقياس القصور الذاتي ، فكلما زادت كتلة الجسم ، زادت صعوبة تحريكه أو جعله يغير حركته. الكتلة هي كمية قياسية ، وهذا يعني أنه لتحديد كتلة الجسم من الضروري إعطاء القيمة العددية بالإضافة إلى الوحدة المحددة ، والتي يمكن أن تكون كيلوغرامات ، رطل ، جرامات وأكثر.

وزن

الوزن هو القوة التي تسحب بها الأرض الأشياء بالقرب من سطحها باتجاه مركزها.

نظرًا لأنه قوة ، فإن الوزن له طابع متجه ، لذلك يتم تحديده تمامًا عند الإشارة إلى حجمه أو قيمته العددية واتجاهه وإحساسه ، والذي نعلم بالفعل أنه عمودي لأسفل.

وهكذا ، على الرغم من أن الوزن والكتلة مرتبطان ، إلا أنهما ليسا متساويين ، ولا متساويين ، لأن الأول متجه والثاني عددي.

أنظمة مرجعية

قد يختلف وصف الحركة حسب المرجع المختار. أولئك الذين يصعدون في المصعد يكونون في حالة راحة وفقًا لإطار مرجعي مثبت عليه ، ولكن إذا رآهم مراقب على الأرض ، فإن الركاب يتحركون.

إذا كان الجسم يختبر حركة حول إطار مرجعي واحد ولكنه في حالة سكون في إطار آخر ، فلا يمكن أن تنطبق قوانين نيوتن على كليهما. في الواقع ، تنطبق قوانين نيوتن على أطر مرجعية معينة: تلك التي هي بالقصور الذاتي.

في الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ، لا تتسارع الأجسام ما لم يتم إزعاجها بطريقة ما - عن طريق تطبيق القوة.

قوى وهمية

تظهر القوى الوهمية أو القوى الزائفة عند تحليل حركة الجسم في إطار مرجعي متسارع. تتميز القوة الوهمية لأنه لا يمكن التعرف على العامل المسؤول عن ظهورها.

قوة الطرد المركزي هي مثال جيد للقوة الوهمية. ومع ذلك ، فإن حقيقة أنها لا تجعلها أقل واقعية بالنسبة لأولئك الذين يختبرونها عندما يديرون سياراتهم ويشعرون أن اليد الخفية تدفعهم للخروج من المنحنى.

التسريع

سبق ذكر هذا المتجه المهم من قبل. يتعرض الجسم للتسارع طالما أن هناك قوة تغير سرعته.

العمل والطاقة

عندما تعمل قوة على جسم ما وتغير موقعه ، تكون القوة قد قامت بعمل. ويمكن تخزين هذا العمل في شكل طاقة. لذلك ، يتم تنفيذ العمل على الكائن ، والذي بفضله يكتسب الطاقة.

يوضح المثال التالي النقطة: لنفترض أن شخصًا ما رفع وعاءًا بارتفاع معين فوق مستوى الأرض.

لهذا ، يجب أن تطبق القوة وتتغلب على الجاذبية ، لذلك فهي تعمل على الوعاء ويتم تخزين هذا العمل في شكل طاقة وضع الجاذبية في الوعاء ، بما يتناسب مع كتلته والارتفاع الذي وصل إليه فوق الأرض.:

حيث م هي الكتلة ، و g هي الجاذبية ، و h هي الارتفاع. ماذا يمكن أن يفعل القدر عندما يكون على ارتفاع h؟ حسنًا ، يمكن أن يسقط وعندما يسقط ، تقل طاقة وضع الجاذبية التي لديه ، بينما تزداد الطاقة الحركية أو طاقة الحركة.

لكي تعمل القوة ، يجب أن تنتج إزاحة يجب أن تكون موازية للقوة. إذا لم يحدث هذا ، فإن القوة لا تزال تعمل على الكائن ، لكنها لا تعمل عليه.

مواضيع ذات صلة

قانون نيوتن الأول.

قانون نيوتن الثاني.

قانون نيوتن الثالث.

قانون حفظ المادة.

المراجع

1. باور ، دبليو 2011. فيزياء الهندسة والعلوم. المجلد 1. ماك جراو هيل.
2. Figueroa، D. 2005. السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 2. ديناميات. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
3. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. 6.. قاعة إد برنتيس.
4. هيويت ، بول. 2012. العلوم الفيزيائية المفاهيمية. الخامس. إد بيرسون.
5. كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. الطبعة السادسة المختصرة. سينجاج ليرنينج.
6. Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.
7. ويكيبيديا. ديناميكي. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.