حاسبة القوة

حاسبة القوة هي أداة سهلة الاستخدام تساعدك في إيجاد المتغير المجهول في معادلة القوة في الفيزياء F = ma حيث F هي القوة، وm كتلة الجسم، وa هي العجلة.

تقوم حاسبة القوة بتحديد القوة المطلوبة لتسريع الجسم. تُعرف هذه المعادلة بقانون نيوتن الثاني للحركة وهي مبدأ أساسي في الفيزياء.

معادلة القوة F = ma تنص على أن القوة تساوي ناتج كتلة الجسم وتسارعه (العجلة).

يمكنك استخدامه في أي شكل. بمعرفة الكتلة والعجلة، يمكنك حساب القوة (F = ma). إذا كنت تعرف الكتلة والقوة، يمكنك حساب العجلة (a = F/m) أخيرًا، إذا كان لديك العجلة والقوة. في هذه الحالة، يمكنك إدخالهم وحساب كتلة الجسم (m = F/a).

لاستخدام حاسبة القوة، أدخل قيم المتغيرين المعروفين، وستجد الآلة الحاسبة توجد قيمة المتغير الثالث.

تستخدم حاسبة قوة نيوتن أكثر قياسات الكتلة والعجلة والقوة شيوعًا. ستجد على الأرجح بينهم ما تحتاجه.

تطبيقات حاسبة القوة

أولاً، تساعد حاسبة القوة كلاً من الطلاب والمعلمين والمهنيين الذين يحتاجون إلى حساب القوة بسرعة وبدقة لحل المشكلات في المدرسة أو في العمل.

يمكن للمهندسين استخدام المعادلة f = ma لتحديد القوة المطلوبة لتحريك الحمل أو لحساب القوة المؤثرة على الجهاز. هذه المعلومات ضرورية في تصميم وبناء الجسور والمباني والأجهزة.

يمكن للعلماء استخدام حاسبة القانون الثاني لنيوتن لمعرفة كيف تتصرف السوائل والغازات وكيف تؤثر الجاذبية على الأشياء في الفضاء.

يمكن للفيزيائيين استخدام الحاسبة لإجراء العمليات الحسابية المتعلقة بالطاقة والديناميكا الحرارية. يمكنهم حساب جهد الجسم والطاقة الحركية.

قوانين نيوتن

قدم إسحاق نيوتن مساهمات هائلة في مجال الميكانيكا الكلاسيكية من خلال صياغته للقوانين الثلاثة للحركة. أشهر أعماله، "المبادئ الطبيعية للفلسفة الرياضية"، المعروفة عادةً باسم البرينسيبيا، نُشرت لأول مرة في عام 1687. في هذا المؤلف الرائد، وضع نيوتن أسس الميكانيكا الكلاسيكية، مقدمًا قوانينه للحركة وقانون الجاذبية العامة.

في البرينسيبيا، بنى نيوتن على رؤى أسلافه، مثل جاليليو وكبلر، مقدمًا مفاهيم ثورية من شأنها أن تغير جذريًا فهم الظواهر الفيزيائية. واحدة من مساهماته الرئيسية، المعروفة باسم القانون الأول لنيوتن أو قانون القصور الذاتي، ينص على أن الجسم الساكن سيبقى ساكنًا، والجسم المتحرك سيظل يتحرك بسرعة ثابتة على خط مستقيم، ما لم يتأثر بقوة خارجية. هذا المبدأ ينطبق عالميًا، سواء على الأرض أو في الفضاء. على الأرض، تلعب القوى الخارجية مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء دورًا مهمًا غالبًا، ولكن القانون نفسه ينطبق عالميًا.

لنقدم معادلات موجزة لجميع القوانين الثلاثة ثم نلقي نظرة فاحصة على القانون الثاني المستخدم في الآلة الحاسبة الخاصة بنا.

قانون نيوتن الأول

يظل الجسم في حالة سكون، أو يتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم، ما لم يتم التأثير عليه بقوة.

يسمى قانون نيوتن الأول أيضًا قانون القصور الذاتي. مثال بسيط على ذلك هو قرص الهوكي على بحيرة متجمدة. إذا كان القرص في حالة راحة، فسيظل في حالة سكون حتى تدفعه قوة، مثل عصا الهوكي. إذا كانت القرص تتحرك، فستستمر في التحرك في خط مستقيم عبر الجليد، حتى تتسبب قوة مثل الاحتكاك من الجليد أو الاصطدام مع قرص آخر في تغيير الاتجاه أو السرعة.

قانون نيوتن الثاني

عندما يتم التأثير على الجسم بواسطة قوة، فإن المعدل الزمني لتغير زخمه يساوي القوة.

يمكننا غالبًا ملاحظة آثار قانون نيوتن الثاني في الحياة. إحدى الطرق لتصور ذلك هي من خلال رسم توضيحي لشخص يدفع صندوقًا ثقيلًا على الأرض. إذا استخدم الشخص قوة صغيرة على الصندوق، فقد لا يتحرك الصندوق على الإطلاق، أو قد يتحرك ببطء شديد. ومع ذلك، إذا قام الشخص بتطبيق قوة أكبر على الصندوق، فسوف يتسارع (يتحرك بشكل أسرع) على الأرض. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان الصندوق أكبر حجمًا، فسيكون من الصعب تسريعه وسيتطلب مزيدًا من القوة لتحريكه.

قانون نيوتن الثالث

إذا مارس جسمان قوى على بعضهما البعض، فإن هذه القوى لها نفس الحجم ولكن في اتجاهين متعاكسين.

تخيل شخصين يدفعان ضد بعضهما البعض. إذا قام أحدهم بالدفع بقوة أكبر، فسوف يدفع الشخص الآخر للخلف بنفس القوة. هذا هو المبدأ الكامن وراء كيفية عمل محركات الصواريخ. الغازات الساخنة التي يتم طردها من الجزء الخلفي من الصاروخ تخلق قوة رد فعل تدفع الصاروخ للأمام.

قانون نيوتن الثاني بالتفصيل

مع اكتشاف قانون نيوتن الثاني، أصبح اسمه مرتبطًا بالمفهوم المادي للقوة. والقانون الثاني نفسه وثيق الصلة بمفاهيم القوة والسرعة والعجلة والكتلة.

ما هي القوة في الفيزياء؟ القوة هي كمية مادية يجب أن يكون لها اتجاه (متجه)، وهي مقياس للنشاط على الجسم. الحرف F يشير إلى القوة.

يمكنك قياس مقدار القوة، على سبيل المثال، باستخدام جهاز خاص - مقياس القوة. يتكون عادة من زنبرك متصل بمؤشر سهم. إذا تمدد الزنبرك، سينحرف السهم، موضحًا الخاصية الكمية للقوة F.

تسمى الطريقة التي تتغير بها السرعة بمرور الوقت بالعجلة (يُشار إليها عادةً بالحرف a). عمليا، في الحياة الواقعية، تتحرك جميع الأجسام بوتيرة متسارعة. إذا زادت السرعة أو نقصت بشكل موحد، فإن هذه الحركة تسمى تسارع التوازن.

يمكن لهذه المعادلة حساب العجلة:

a = (V - V₀) / t

عندما تكون a العجلة، V هي السرعة في اللحظة الأخيرة، V₀ هي السرعة في اللحظة الأولى، وt هو الزمن الذي حدث خلاله هذا العجلة.

مثال على الحركة مع العجلة سيكون أي شخص أو أي شيء يسقط. سوف يسقط بنفس العجلة الذي تسببه جاذبية الأرض.

وأخيرًا، تتأثر خاصية حركة أي جسم بكتلته، والتي يُشار إليها عادةً بالحرف م. في الفيزياء، غالبًا ما تكون الكتلة مقياسًا لقصور الجسم. أي أنه كلما زادت كتلة الجسم، زادت صعوبة تحريكه. ومع ذلك، بعد نقله بالفعل، من الصعب أيضًا إيقافه.

يصف القانون الثاني ما يحدث لجسم مادي تحت تأثير قوى خارجية. ينص هذا القانون على أنه كلما زاد مجموع القوى الخارجية المطبقة على الجسم، زاد تسارع الجسم.

حاول قانون نيوتن الأول ذات مرة شرح كيفية عمل الميكانيكا السماوية، وكيف تتحرك الكواكب باستمرار حول الشمس. في المقابل، القانون الثاني أكثر واقعية في هذا الصدد. يشرح حركة الأجسام هنا على الأرض. غالبًا ما يستخدم القانون الثاني لوصف حركة الأشياء في الحياة اليومية، مثل حركة السيارة على الطريق أو حركة الكرة التي يتم إلقاؤها في الهواء.

إنه القانون الأساسي للديناميكا وكذلك القانون الأساسي للطبيعة الفيزيائية.

هناك عدة تعريفات كلاسيكية لقانون نيوتن الثاني. الأول يقول أن القوة المؤثرة على الجسم تساوي حاصل ضرب كتلة الجسم في العجلة الناتج عن القوة.

التعريف الثاني لا يأتي من القوة ولكن من العجلة؛ تنص على أن تسارع الجسم يتناسب طرديا مع القوة المطبقة عليه ويتناسب عكسيا مع كتلته.

معادلات قانون نيوتن الثاني

تمثل معادلة القوة الكلاسيكية التعريف الأول الذي قدمناه لك:

F = ma

F هي القوة المؤثرة على الجسم، و m كتلته، و a هي العجلة.

بالنسبة للتعريف الثاني، ستكون المعادلة على النحو التالي:

a = F/m

كلما زادت القوة المؤثرة على الجسم، زادت تسارعه. كلما زادت كتلة الجسم، قل تسارعه.

يكفي معرفة حجم واتجاه جميع القوى التي تعمل في نظام ميكانيكي وكتلة الأجسام المادية التي يتكون منها. يمكن للمرء أن يحسب سلوكه في الوقت المناسب بدقة كاملة.

يرتبط القانون الثاني ارتباطًا وثيقًا بمفهوم القصور الذاتي، وهو ميل الشيء لمقاومة التغييرات في حركته. وفقًا للقانون الثاني، كلما زادت كتلة الجسم، زادت القوة اللازمة لتسريع الجسم، وزادت جموده.

أمثلة على قانون نيوتن الثاني

وخير مثال على ذلك هو ضرب الكرة. عندما نركل كرة، نطبق قوة تحدد اتجاهها وتسارعها. كلما كان التأثير أقوى، زادت سرعة تحليق الكرة.

دفع عربة التسوق في السوبر ماركت. حاول دفع عربة فارغة ومحملة. في الحالة الثانية، سوف يتطلب الأمر قوة أكبر بكثير لمنح العربة نفس العجلة كما في الحالة الأولى. هذا مثال ممتاز لتوضيح كيف يؤثر الوزن على انتظام نيوتن.

تعتبر لعبة الجولف أو لعبة البيسبول مثالاً جيدًا على تطبيق قانون نيوتن. خذ مضرب بيسبول وكرة. افترض أنك ضربت الكرة بالمضرب، وكان التأثير أقوى من كل القوى الأخرى. في هذه الحالة، ستكتسب الكرة تسارعًا يساوي نسبة القوى المحصلة إلى كتلتها.

أمثلة للحساب

لنلقِ نظرة على بعض العمليات الحسابية التي يمكن إجراؤها باستخدام حاسبة القوة. لقياس القوة، سنأخذ معادلة القوة القياسية F = ma.

لحساب الكتلة، سنأخذ متغيرها: m = F/a. وبناءً على ذلك، لتحديد العجلة، سنستخدم المعادلة a = F / m.

حساب القوة

زادت سيارة كتلتها 2 طن سرعتها من 10 م/ث إلى 16 م/ث لمدة 5 دقائق (300 ثانية). أوجد القوة التي تحدث ذلك التسارع (العجلة).

أوجد العجلة أولاً باستخدام المعادلة

a = (V - V₀) / t

a = (V - V₀) / t = (16 - 10) / 300 = 0.02 = m/s²

الآن نعرف تسارع السيارة، وهو 0.02 = m/s² ونعرف الكتلة: 2000 كيلوغرام. لذا يمكننا استبدال البيانات التي لدينا في المعادلة بالقوة وحساب القوة:

F = ma = 2000 × 0.02 = 40 نيوتن

وبالتالي، فإن القوة التي تعطي العجلة تساوي 40 نيوتن.

حساب العجلة

ما هو معدل التغير في السرعة (العجلة) الذي سيحدثه حجر يزن 2 كجم إذا تم تطبيق قوة تساوي 20 نيوتن؟

في هذه المسألة نعرف الكتلة والقوة. لذلك، يمكننا تعويض متغيرين معروفين في المعادلة وحساب العجلة:

a = F / m = 20 / 2 = 10 m/s²

نتيجة لذلك، وجدنا أن الصخرة ستطور تسارعًا قدره 10 م/ث².

حساب الكتلة

تستخدم رافعة البناء قوة مقدارها 1000 نيوتن لرفع كتلة خرسانية، وتسارع الكتلة 0.5 م/ث ². لحساب كتلة الكتلة، يمكننا استخدام المعادلة:

m = F / a

نعوض في المعادلة بالبيانات التي لدينا والقوة والعجلة، ونحصل على:

m = F / a = 1000 / 0.5 = 2000 kg

وبالتالي، فإن كتلة الكتلة تساوي 2000 كجم.

الخلاصة

حاسبة القوة هي أداة قيمة لأي شخص يدرس الفيزياء أو يعمل في الفيزياء والهندسة. إنها آلة حاسبة بسيطة وفعالة لحل المشكلات التي تنطوي على القوة والكتلة والعجلة، وهي تستند إلى قانون نيوتن الثاني للحركة.

قانون نيوتن الثاني للحركة هو حجر الزاوية في الميكانيكا الكلاسيكية. إنه بمثابة أساس لتصميم الصواريخ والمركبات الأخرى، ودراسة ديناميكيات السوائل، وتحليل الهياكل والمواد.

باستخدام حاسبة القوة، يمكنك بسهولة إيجاد المتغير المفقود في المعادلة F = ma واستخدامه لحل المشكلات في مختلف المجالات. سواء كنت طالبًا أو مدرسًا للفيزياء أو مهندسًا أو عالمًا، فإن حاسبة القوة هذه ستجعل حساباتك أكثر دقة وكفاءة.