ما هو توازن الجسيم؟ (مع أمثلة) - جسدي - بدني - 2026

و التوازن من الجسيمات هي الدولة التي الجسيمات هو عندما يتم القوى الخارجية المؤثرة عليها إلغاء بعضها بعضا. هذا يعني أنه يحافظ على حالة ثابتة ، بطريقة يمكن أن تحدث بطريقتين مختلفتين اعتمادًا على الموقف المحدد.

الأول هو أن تكون في حالة توازن ثابت ، حيث يكون الجسيم ثابتًا ؛ والثاني هو التوازن الديناميكي ، حيث يتم إلغاء تجميع القوى ، ولكن مع ذلك فإن الجسيم لديه حركة منتظمة مستقيمة.

الشكل 1. تشكيل الصخور في حالة توازن. المصدر: Pixabay.

نموذج الجسيمات هو تقريب مفيد للغاية لدراسة حركة الجسم. وهو يتألف من افتراض أن كل كتلة الجسم تتركز في نقطة واحدة ، بغض النظر عن حجم الجسم. بهذه الطريقة يمكنك تمثيل كوكب أو سيارة أو إلكترون أو كرة بلياردو.

القوة المحصلة

النقطة التي تمثل الكائن هي المكان الذي تعمل فيه القوى التي تؤثر عليه. يمكن استبدال هذه القوات من جانب واحد الذي لديه نفس التأثير، وهو ما يسمى محصلة القوى الناتجة أو القوة، ويرمز لها F _R أو F _N.

وفقًا لقانون نيوتن الثاني ، عندما تكون هناك قوة ناتجة غير متوازنة ، يختبر الجسم تسارعًا يتناسب مع القوة:

F _R = أماه

حيث a هي التسارع الذي يكتسبه الجسم بفضل تأثير القوة و m هي كتلة الجسم. ماذا يحدث إذا لم يتم تسريع الجسم؟ بالضبط ما أشير إليه في البداية: الجسم في حالة راحة أو يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة تفتقر إلى التسارع.

بالنسبة للجسيم في حالة اتزان ، من الصحيح التأكد مما يلي:

و _ص = 0

نظرًا لأن إضافة المتجهات لا تعني بالضرورة إضافة الوحدات ، فيجب أن تتحلل المتجهات. وبالتالي ، يصح التعبير عن:

F _x = ma _x = 0 ؛ F _y = ma _y = 0 ؛ F _z = ma _z = 0

مخططات الجسم الحر

من أجل تصور القوى المؤثرة على الجسيم ، من الملائم عمل رسم تخطيطي للجسم الحر ، حيث يتم تمثيل جميع القوى المؤثرة على الجسم بالسهام.

المعادلات أعلاه هي متجه في الطبيعة. عندما تتحلل القوى ، فإنها تتميز بعلامات. بهذه الطريقة يمكن أن يكون مجموع مكوناته صفرًا.

فيما يلي إرشادات مهمة لجعل الرسم مفيدًا:

- اختر نظامًا مرجعيًا يوجد فيه أكبر قدر من القوى على محاور الإحداثيات.

- يتم سحب الوزن رأسيًا دائمًا لأسفل

- في حالة تماس سطحين أو أكثر ، توجد قوى طبيعية يتم سحبها دائمًا بدفع الجسم وعموديًا على السطح الذي يمارسه.

- بالنسبة للجسيم في حالة اتزان ، قد يكون هناك احتكاكات موازية لسطح التلامس وتعارض الحركة المحتملة ، إذا تم اعتبار الجسيم في حالة سكون ، أو بالتأكيد في حالة مقاومة ، إذا كان الجسيم يتحرك مع MRU (حركة مستقيمة منتظمة).

- إذا كان هناك حبل ، يتم سحب الشد على طوله دائمًا وسحب الجسم.

طرق تطبيق شرط التوازن

الشكل 2. قوتان تطبقان بطرق مختلفة على نفس الجسم. المصدر: عصامي.

قوتان متساويتان في الحجم والاتجاه والاتجاه المعاكسان

يوضح الشكل 2 جسيمًا تعمل عليه قوتان. في الشكل الموجود على اليسار ، يتلقى الجسيم عمل قوتين F ₁ و F ₂ لهما نفس الحجم وتعملان في نفس الاتجاه وفي اتجاهين متعاكسين.

الجسيم في حالة توازن ، ولكن مع المعلومات المقدمة لا يمكن معرفة ما إذا كان التوازن ثابتًا أم ديناميكيًا. هناك حاجة إلى مزيد من المعلومات حول الإطار المرجعي بالقصور الذاتي الذي يتم من خلاله ملاحظة الكائن.

قوتان ذات حجم مختلف ، اتجاه متساوي واتجاهين متعاكسين

يوضح الشكل الموجود في المنتصف الجسيم نفسه ، الذي لم يكن في حالة توازن هذه المرة ، لأن حجم القوة F ₂ أكبر من مقدار F ₁. لذلك توجد قوة غير متوازنة ويكون للكائن تسارع في نفس اتجاه F ₂.

قوتان متساويتان في الحجم واتجاهان مختلفان

أخيرًا ، في الشكل الموجود على اليمين ، نرى جسمًا ليس في حالة توازن أيضًا. على الرغم من أن القوتين F ₁ و F ₂ متساويتان في الحجم ، فإن القوة F ₂ ليست في نفس الاتجاه مثل 1. لا يتم إبطال المكوِّن الرأسي لـ F ₂ بواسطة أي عنصر آخر ويتعرض الجسيم لتسريع في هذا الاتجاه.

ثلاث قوى ذات اتجاه مختلف

هل يمكن أن يكون الجسيم الخاضع لثلاث قوى في حالة توازن؟ نعم ، بشرط أنه عند وضع نهاية ونهاية كل واحد ، يكون الشكل الناتج مثلثًا. في هذه الحالة ، يكون مجموع المتجه صفرًا.

الشكل 3. يمكن أن يكون الجسيم الخاضع لعمل 3 قوى في حالة توازن. المصدر: عصامي.

احتكاك

القوة التي تتدخل في كثير من الأحيان في توازن الجسيم هي الاحتكاك الساكن. إنه بسبب تفاعل الكائن الذي يمثله الجسيم مع سطح آخر. على سبيل المثال ، كتاب في حالة توازن ثابت على طاولة مائلة تم تصميمه كجسيم وله رسم تخطيطي للجسم الحر مثل ما يلي:

الشكل 4. رسم تخطيطي للجسم الحر لكتاب على مستوى مائل. المصدر: عصامي.

القوة التي تمنع الكتاب من الانزلاق عبر سطح المستوى المائل والبقاء في حالة السكون هي الاحتكاك الساكن. يعتمد ذلك على طبيعة الأسطح الملامسة ، والتي تظهر خشونة مجهريًا مع قمم تلتصق ببعضها البعض ، مما يجعل الحركة صعبة.

تتناسب القيمة القصوى للاحتكاك الساكن مع القوة العادية ، وهي القوة التي يمارسها السطح على الجسم المدعوم ، ولكنها عمودية على السطح المذكور. في المثال في الكتاب يشار إليه باللون الأزرق. رياضيا يتم التعبير عنها على النحو التالي:

ثابت التناسب هو معامل الاحتكاك الساكن μ _s ، الذي يتم تحديده تجريبياً ، بلا أبعاد ويعتمد على طبيعة الأسطح الملامسة.

الاحتكاك الديناميكي

إذا كان الجسيم في حالة توازن ديناميكي ، فإن الحركة تحدث بالفعل ولم يعد الاحتكاك الساكن يتدخل. في حالة وجود أي قوة احتكاك معارضة للحركة ، يعمل الاحتكاك الديناميكي ، ويكون حجمه ثابتًا ويعطى بواسطة:

حيث μ _k هو معامل الاحتكاك الديناميكي ، والذي يعتمد أيضًا على نوع الأسطح الملامسة. مثل معامل الاحتكاك الساكن ، فهو بلا أبعاد ويتم تحديد قيمته تجريبياً.

عادة ما تكون قيمة معامل الاحتكاك الديناميكي أقل من قيمة معامل الاحتكاك الساكن.

عمل مثال

الكتاب الموجود في الشكل 3 في حالة سكون وكتلة 1.30 كجم. زاوية ميل المستوي 30 درجة. أوجد معامل الاحتكاك الساكن بين الكتاب وسطح المستوى.

المحلول

من المهم اختيار نظام مرجعي مناسب ، انظر الشكل التالي:

الشكل 5. رسم تخطيطي للجسم الحر للكتاب على المستوى المائل وتحلل الوزن. المصدر: عصامي.

وزن الكتاب له المقدار W = mg ، ومع ذلك من الضروري تحليله إلى مكونين: W _x و W _y ، لأنه القوة الوحيدة التي لا تقع فوق أي من محاور الإحداثيات. لوحظ تحلل الوزن في الشكل على اليسار.

الثاني. قانون نيوتن للمحور الرأسي هو:

تطبيق 2. قانون نيوتن للمحور السيني ، الذي يختار اتجاه الحركة المحتملة على أنه موجب:

الحد الأقصى للاحتكاك هو f _{s max} = μ _s N ، لذلك:

المراجع

1. ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون. 76-90.
2. سيرواي ، آر ، جيويت ، ج. (2008). فيزياء للعلوم والهندسة. حجم 1. 7 ^{مللي أمبير}. Ed. Cengage Learning. 120-124.
3. Serway، R.، Vulle، C. 2011. أساسيات الفيزياء. 9 ^نا إد. Cengage Learning. 99-112.
4. Tippens ، P. 2011. الفيزياء: المفاهيم والتطبيقات. الإصدار السابع. ماكجرو هيل. 71 - 87.
5. ووكر ، ج. 2010. الفيزياء. أديسون ويسلي. 148-164.