الفيزياء امليكانيكية
علماء أسهموا في الميكانيكا
الميكانيكا الكالسيكية
وصف النظرية
الموقع واشتقاقه
أنواع القوى الميكانيكية
االستاتيكا
الطبعة األولى 7192 - 9341
علماء أسهموا في الميكانيكا الجزري الجزري هو عالِم ومُخترِع مُسلِم ،برز عام 6021م ،اشتُهِرَ لصنااعاتا آالت ذاتيّة التشغيل ،ومنها ما كان يعمل عن طريق الماء ،وقا
كاان
بعض من هذه اآلالت ألغراض التزيين ،أمّا بعضها اآلخر فادا
كاان
ذات أهميّة عمليّة ،ويُدال بأنَّ الموسوعي الشهير ليوناردو دافنشي ق تاااااااأمَّااااااار
باااااااأعاااااااماااااااال
الاااااااجااااااازري.
إسحاق نيوتن وُلِ العالِم إسحاق نيوتن عام 6610م في إنجلترا ،ويُعتبَر أكثر عالم تأميرًا في الدرن السابع عشر ،ويعود الفضل لمُكتشفات في تاأسايال عالام الفيزياء الح يثة .قام نيوتن -بع تلدّي
شاهاادا الاباكاالاورياا -با راساة
الرياضيّات ،والفيزياء ،والبصريّات ،والفَلَك ،ومن الج ير بالذكر أنّ درساهاا ذاتيًّا نظرًا إلغالق جامعت بسبب وباء انتشر آنذاك .عام 6111م ،أنهى نيوتن عمل على قوانين الحركة الثالث الشهيرا .كان لناياوتان إناجاازات كبيرا فيما يتعلَّق بدوّا الجاذبيّة األرضيّة ،كما اخترع الع سات العاكسة للتلسكوب ،إضافةً إلى أنَّ لا دور كبير في نشأا علم حساب التفاضل والتكامل (باالنجليزية .)Calculus: علماء أسهموا في الميكانيكا
1
نيكوال تيسال وُل العالم نيكوال تيسال عام 6581م في قرية سميلجان الاواقاعاة فاي كرواتيا ،ويُع ّ تيسال أح أهمّ المُخترعين على مرّ التاريخ ،وق نجح فاي صناعة وتطوير اآلالت دون أن يكون حاصل على شهادا تعليميّة ،كاماا عُرِفَ بذاكرت الدويّة .قام تيسال بوضع مبادئ الحدل الاماغانااطاياساي ال وّار في سِن السادسة والعشرين عن ما كان ياعامال فاي ماكاتاب التلغراف المركزي في بودابست ،وتُع ّ هذه المبادئ مُهامّاة جا ًّا فاي مجال األجهزا الكهروميكانيكيّة ،وق أدّت هذه المبادئ إلى الع ي من مُكتشفات ،ومنها مُحرِّك التيّاار المُتردِّد ( باالنجليزية ) AC motor :يُعتَدَ بأنَّ نيكوال تيسال ل ي 022إختراع على األقالّ ،جاماياعاهاا مُرتبطة ببعضها البعض ،إضافةً للع ي من المُكتشَفات التي لم تُسجَّل كبراءا إختراع .إنَّ مان أهامّ مُكتشفات العالم تيسال وأكثرها شُهراً هو التيّار المُتردِّد ( باالنجليزية ، )Alternating Current :فد كان هذا المُكتَشَف هو التطوير للتيّار المُستمِرّ ( باالنجليزيةDirect ( Current :الذي اكتشف العالم توماس إديسون؛ حيثُ إنَّ التيّار المُتردِّد يُمكِن أن يُغيِّر من اتّجاه بسرعة ،حتّى وإن كان فرق الجُه عالي.
علماء أسهموا في الميكانيكا
2
الميكانيكا الكالسيكية الميكانيكا الكالسيكية (باالنجليازياة )Classical mechanics :هاي الفرع األق م في علم حركة األجسام (الميكانيكاا) ،وهاي تاهاتام ب راسة الدوى الواقعة على الجسم وحركت
وناظام الاجاساياماات
في فضاء إقلي ي مالمي األبعاد ومحاولة صيااغاة تالاك الاعاالقاات في قوانين فيزيائية ،تسمح باستنتاج سير الحركة المستدبلاياة عالاى أساس معرفة الظروف االبت ائية ,توارد مصاطالاح الاماياكااناياكاا الكالسيكية لل اللة على المنظومات الرياضية التي أرسااهاا إساحااق نيوتن ،بشكل أساسي ،ويوهانز كبلر وغاليليو غاليلي والتي ظلّت سائ ا منذ الدرن السابع عشر حتاى ظهور النسبية الخاصة والنسبية العامة التي صاغها أينشتاين خالل السنوات 6661 - 6628ومياكااناياكاا الكم التي اشترك في صياغتها ماكل بالنك وهيزنبرج وشرودنجر وديراك في ب اية الدرن العاشاريان بين .6605 - 6622
في الب اية كانت الميكانيكا الكالسيكية والمشار إليها بالميكانيكا النيوتنية تهتم بصفة أساسية بتافاسايار حركة الكواكب واألجسام على األرض بواسطة أساليب التحليل الرياضي ،وال سيما الحساب التفاضلي، التي وضعها نيوتن بنفس بالتزامن مع اليبنتز .وفي ما بع قام الغرانج وهاميلتاون باععاادا صايااغاة وتبسيط حسابات الميكانيكا التدلي ية وذلك باالعتماد على أن حركة الجسم تخضع لوجود حا
أدناى
من الطاقة الكامنة دون اللجوء إلى توازن الدوى والتسارع (قانون نيوتن الثاني) كما ت خل النظرياات الخاصة بتأمير الحرارا على الغازات واألجسام والمعروفة ال يناميكا الحرارية ومن المساهمايان فاي هذا المضمار بويل وبولتزمان وكذلك صياغة نظرية الكهرومغناطيسية على ي ماكسويل كلها تناتاساب الميكانيكا الكالسيكية
إلى الميكانيكا التدلي ية ونظريةالنظم ال يناميكية.
3
وقوانين الميكانيكا الكالسيكية تنجح في وصف حركة األجسام عن السرعات البطيئة والصاغايارا بالنسبة إلى سرعة الضوء .وتبلغ سرعة الضوء 022ألف كيلومتر/مانية .أما إذا اقتربت سرعة الجسم من سرعة الضوء ،فيجب الحساب باستخ ام النظرية النسبية حتى ال تح ث فروق بين الاحاسااب والمشاه ا إذا اتبعنا طريدة نيوتن .وكذلك ال تأخذ ال يناميكا التدلي ية التاأمايارات الاكاوماوياة فاي الحسبان .وتلك التأميرات الكمومية ال ب من أخذها في االعتبار عن
دراساتاناا لاخاواا الاماادا
وحركتها في الحيز المجهري أي عن تعاملنا مع الجسيمات الذرية وتحت الذرية.
وصف النظرية تُد ّمُ المفاهيمَ األساسيةَ للميكانيكا الكالسيكية الخاصة ب راسة الغازات .تبساياطاا تساتاخا م هاذه النظرية مصطلح الجسيم الندطي لجزيئات الغاز ،أي اعتبار أن حجم الجزيئ صغير ج ا بحيث يشاكال ندطةِ .إنّ حركةَ الجسيم الندطيِ يمكن تمييزها بع د من المؤشرات:
الموقع
الكتلة
الدوى المؤمرا علي .
في الواقع ،الجزيئات التي تعالج بالماياكااناياكاا الكالسيكية تكون ندطية مع ومة الحجم. الجسيمات الندطية الحديدية ،مثل اإللكترونِ ،توصف عادا بشكل أفضل بواسطة ميكانيكا الاكام .أماا أجسام الميكانيكا الكالسيكية فغالبا ما تكون كبيرا -مثل دراسة حركة الاكاواكاب حاول الشامال - وبالتالي تسلك سلوكا أكثر سهولة في دراستها .أما دراسة حركة الجزيئات تكون أكثر تعدي ا عن الحالة وصف النظرية
4
المثالية المبسطة لحركة الجسيمات الندطية االفتراضية .ألن الجزيئات لها تركاياب ماعايان وتاماتالاك إمكانية درجات حرية للحركة أكبار ،ماثال حاركاة الاجازيائ الا وراناياة حاول ماحاوره وحاركااتا االهتزازية المطاطية عبر الروابط بين الذرات ..الخ.
الموقع و اشتقاقه إنّ موقعَ جسيم ندطي يح د اعتبارا من ندطة مابتة في الفضاء تعتبر مب أ لإلح اميات ،بالتالي يمكن تح ي الموضع عن طريق اختيار مرجع للمحاور ،فعذا كان الجسم علي مستوي منائي األبعاد حا دناا موضع باإلح اميات xو yأما إذا كان الجسم في الفراغ ،ح دنا موضع بثالمة أبعاد xو yو zمثال. وبما أن الجسيم الندطي غير مابت بل يتحرك أي يغير موضع مع الزمن ويشكل بذلك دالاة زماناياة. ويكون موضع بع فترا زمنية في ندطة في الفضاء ،x1و ،y1و z1.وهكذا.
( مستوى مالمي األبعاد )
( مستوى منائي األبعاد )
يتكون من مالث محاور ) )X, Y, Z
يتكون من محورين ( )X, Y
أنواع القوى الميكانيكية للدوى الميكانيكية اشكال متع دا و مختلفة اهمها: قوا الجر Traction Force وهي الدوا التي تسحب الجسم باتجاه معين فتسبب ش ه او استطالت . أنواع القوى الميكانيكية
الموقع واشتقاقه
5
قااااوا
الضااااغااااط
compression force
و هي الدوا التي تكبل على الجسم بمد ار كتلتها فتؤدي الى تدارب الجزيئات من بعضهاا الاباعاض وذلك اذا كان الجسم طريا كحبيبات التربة.
قوا الجذب االرضي attraction force وهي الدوا التي تجذب االجسام الموجودا على سطح االرض او فوقها نحو مركز الكرا االرضية. فاذا سدط جسم سدوط حر تحت تامير الجاذبية االرضية فان تسارع الجسم الساقط يكون تسارع الجاذبية االرضية gو قيمت m. s -2 6 6,5 لذلك فان قوا الجذب االرضي و هي تساوي وزن الجسم w تعطى حسب قانون نيوتن كالتالي: ]w = m . g [N
قااوا رد الاافااعاال reaction force اذا امرت قوا ما عالاى جسام فاان هاذا الجسم يداوم الدوا المؤمرا بدوا تساويهاا أنواع القوى الميكانيكية
6
في المد ار و تعاكسها في االتجاه.
قوا الطرد المركزي centrifugal force و هي الدوا المتول ا عن دوران الجسم حول مركز معين ،و تتوقف هذه الدوا على كتلة الجسم و سرعة دوران و بع ه عن المركز rو تعطى هذه الدوا كالتالي: ]FC = m v2 / r [N
قوا االحتكاك friction force وهي الدوا الناشئة نتيجة حركة سطح جسم ما على سطح جسم اخر. الشغل work اذا قام جرار بجر مدطورا زراعية بدوا افدية مابت F لمسافة sفي اتجاه الدوا فيدال ان تلك الدوا بذلت شغال مد ارهw = F . S [JOUL] : هذا يعني ان الشغل هو حاصل ضرب الدوا في االزاحة و هو كمية قياسية تعين بالمد ار فدط.و ال يعرف عن لحظة او ندطة بل على امت اد فترا .
الطاقة energy E انها المد را على انجاز شغل و لها اشكال متع دا منها :الميكانيكية،الحرارية،الكهربائية.الذرية.
أنواع القوى الميكانيكية
7
قانون نيوتن االول ينص قانون نيوتن األول على التالي :يظل الجسم في حالت الساكنة (إما السكون التام أو التحريك في خط مستديم بسرعة مابتة) ما لم تؤمر علي قوا تغير من هذا الحالة. تفسير الدانون يشير الدانون األول للحركة -في علم الفيزياء -أن إذا كان مجموع الكميات الموجهة من الدوى التي تؤمر على جسم ما صفرا ،فسوف يظل هذا الجسم ساكنا .وبالمثل فعن أي جسم متحرك سيظل على حركت بسرعة مابتة في حالة ع م وجود أية قوى تؤمر علي مثل قوى االحتكاك.
قانون نيوتن الثاني إذا أمرت قوا أو مجموعة قوى على جسم ماا فعنها تكسب تسارعا ( أو عجلة) ،يتناسب طرديا مع محصلة الدوى المؤمرا وعكسيا مع كتلت . تفسير الدانون هذا الدانون الفيزيائي يتعلق ب راسة األجساام المتحركة ،وهو ينص بصيغة أخرى على أن تسارع جسم ما أمناء حركت ،يتناسب مع الدوا التي تؤمار علي ،وفي تطبيق هذا الدانون على تساقط األجسام تحت تأمير جاذبية األرض تكون النتيجة أنا
إذا
سدط جسمان من نفل االرتفاع فعنهما يصالن إلي سطح األرض في نفل اللحظة بصرف الاناظار عن وزنهما ولو كان أح هما كتلة ح ي واآلخر ريشة ،ولكن الذي يح ث من اختالف السارعاة مارده قانون نيوتن األول والثاني
8
إلى اختالف مداومة الهواء لهما في حين أن قوا تسارعهما واح ا.
قانون نيوتن الثالث لكل فعل ردا فعل مساوي ل في المادا ار ومعاكسة في االتجاه.
مالحظات هامة: يلزم لتطبيق قانون نيوتن الثالث وجود جسمين على األقل أح هما مص ر قوا الفعل واآلخر مص رقوا رد الفعل. الدانون الثالث لنيوتن قانون قوا وليل قانون حركة ،فهو يح د الدوا المؤمرا على جسم وال يحا دحالت الحركية. الفعل ورد الفعل قوتان تؤمران على جسمين مختلفين لذلك ال تحسب محصلتهما الن عملية حسابمحصلة قوتين أو أكثر يتطلب تأمير هذه الدوى على جسم واح .
علم السكون (اإلستاتيكا ) علم السكون (اإلستاتيكا) هو فرع من الميكانيكا يهتم ب راسة وتحليل األحمال (مثل الدوى ،وعزوم الفتل وال وران) في األنظمة الفيزيائية في حالة التوازن السكوني ،وهي الحالة التي ال تتغير فيها أماكن أجزاء النظام بمرور الوقت ،أو أن عناصر النظام ذات سرعة مابتة .ففي حالة التوازن السكوني ،يكون النظام إما ساكنا أو يكون مركز مدل متحركا بسرعة مابتة .ودراسة األجسام المتحركة تسمى بال يناميكا .يستخ م علم السكون بصورا أساسية في الهن سة اإلنشائية وفي علوم وتطبيدات الهن سة الميكانيكية.
أيضا بعزم الدوا) على أي جسم في النظام مساوية للصفر .ووفق هذا الدانون يمكن إهمال بعض الدوى مثل اإلجهادات ال اخليةوالضغط .إذن ،مجموع الدوى الصافية مساوية للصفر يسمى الشرط األول للتوازن ،ومجموع العزوم الصافية مساوي للصفر يسمى الشرط الثاني للتوازن.
قانون نيوتن الثالثا واالستاتيكا
وبحسب الدانون األول لنيوتن ،فعن هذا الوضع يفرض أن الدوا الصافية والعزم الصافي (يسمى
9
االتزان الدوانين التي تحكم الحركة والسكون هاي الاداوانايان المعروفة باسم نيوتن والدانونان األول والاثاالاث لاهاماا التحكم المطلق في دراسة اإلستاتيكا .وبماا أن الامابا أ األساسي لعلم اإلستاتيكا هو اإلتزان ،وحساب الادااناون األول لنيوتن فعن إذا تالشت محصلة الدوى المؤمرا على جسم فعن يسير بسرعة ماناتاظاماة أي أن تسارع يساوي الصفر .وعلى هذا يجوز لنا أن ندول أن الجسم متزن .وينطبق الاداول أيضاا عالاى الجسم الذي تساوي سرعت صفرًا .فنج أن خاصية اإلتزان لها وجهان :األول تالشي محصلة الداوى المؤمرا على الجسم والثاني أن تكون السرعة منتظمة أو تساوي صفرًا.
قوا االتزان هي الدوا التي تُحدق حالة اتزان للنظام ،وتُساوي الدوا المحصلة المؤمرا على الناظاام ولكن في اتجها معاكل ،وقوا االتزان هي قوا تجعل أي جسم مُتزن وال يتحرك ،وهي تنطبق عمليًا على أي جسم ال يتحرك في الكون ،وتم استخ ام هذا المصطلح لدوا االتزان في منتاصاف الادارن الثامن عشر لإلشارا إلى اتزان نظام الدوى .
االتزان
11
ميكانيكا الكم ميكانيكا الكم هي مجموعة من النظريات الفيزيائية التي ظهرت في الدرن العشرين ،وذلك لتفسير الظواهر على مستوى الذرا والجسيمات دون الذرية وق دمجت بين الخاصية الجسيمية والخاصية الموجية ليظهر مصطلح ازدواجية الموجة -الجسيم ،وبهذا تصبح ميكانيكا الكم مسؤولة عن التفسير الفيزيائي على المستوى الذري كما أنها أيضًا تطبق على الميكانيكا الكالسيكية ولكن التظهر تأميرها على هذا المستوى ،لذلك ميكانيكا الكم هي تعميم للفيزياء الكالسيكية إلمكانية تطبيدها على المستويين الذري والعادي .تسميتها بميكانيكا الكم يعود إلى أهميّة الكم في بنائها (وهو مصطلح فيزيائي يستخ م لوصف أصغر كمّية من الطاقة يمكن تبادلها بين الجسيمات ،ويستخ م لإلشارا إلى كميات الطاقة المح دا التي تنبعث بشكل متدطع ،وليل بشكل مستمر) .كثيرا ما يستخ م مصطلحي فيزياء الكم والنظرية الكمية كمرادفات لميكانيكا الكم .وبعض الكتّاب يستخ مون مصطلح ميكانيكا الكم لإلشارا إلى ميكانيكا الكم غير النسبية.
الميكانيكا المدارية الميكانيكا الم ارية أو ال يناميكا الفلكية هي تطبيق حركة المدذوفات والميكانيكا السماوية على المشاكل العملية المتعلدة بحركة الصواريخ وغيرها من المركبات الفضائية األخرى .فعادا ما يتم حساب حركة هذه األشياء من قوانين نيوتن للحركةوقانون الجاذبية العام لنيوتن .فهو انضباط أساسي داخل تصميم وضوابط البعثة الفضائية .وتعالج الميكانيكا السماوية ال يناميكا الم ارية لألنظمة بشكل أوسع نطاقًا تحت تأمير الجاذبية ،بما في ذلك المركبات الفضائية واألجرام الفلكية الطبيعية مثل أنظمة النجوم والكواكب واألقمار والمذنبات .وتركز الميكانيكا الم ارية
والتحوالت بين الكواكب ،ويتم استخ امها من قبل مخططي البعثة للتنبؤ بنتائج المناورات ال افعة. وتكون النسبية العامة نظرية أكثر دقة من قوانين نيوتن لحساب الم ارات وهي ضرورية في بعض األحيان لتحديق المزي من ال قة أو في حاالت الجاذبية العالية (مثل الم ارات الدريبة من الشمل).
ميكانيكا الكم والميكانيكا المدارية
على مسارات المركبات الفضائية ،والتي تشمل المناورات الم ارية وتغيرات المستوى الم اري
11
الطالب المشاركون في المجلة
أسامة دمحم باصرة
أنس محمود
دمحم الخطيب
دمحم عمر
تركي عبد هللا أبو حيمد
دمحم سحاري
خالد عبد الناصر
اشراف المعلم
حيدر الصندل
مدير المدرسة
عبدالرحمن الزهراني
12
مهدي اسماعيل
دمحم الشهري