تعريف القوة وأنواع القوى
الفيزياء من أهم العلوم في حياتنا، وذلك لقدرتها على تفسير كل الأحداث والحركات التي نقوم بها، فنحن ممتنّون للكثير من العلماء الذين تعمّقوا في دراسة الفيزياء وقوانينها المختلفة وإجراء التجارب وإثبات النظريات، والتي ساعدتنا في مجالات الحياة كافة. في هذا المقال، سنتعرف على إحدى أهم المفاهيم الفيزيائية، القوة، فما هو تعريف القوة وما هي أنواع القوى؟ تابع معي.
تعريف القوة
لقد كان السير إسحاق نيوتن (Sir Isaac Newton) من فطاحل علوم الفيزياء، وقد ركّز على دراسة القوى ولاسيما قوة الجاذبية الأرضية، وجاء تعريف القوة بأنها دفع أو سحب كائنٍ أو جسمٍ معينٍ من مكانه، فكان بذلك تعريف أي قوةٍ أنها أي عاملٍ خارجيٍّ يساهم في تغير حالة الراحة أو الحركة لجسمٍ ما، عن طريق دفعه أو سحبه وبالتالي يؤدي ذلك إلى تغير سرعته، وللقوة اتجاهٌ يدعى باتجاه القوة، ومبدأ يدعى مبدأ القوة؛ والتي هي النقطة في الجسم التي يتم فيها تطبيق القوة، ونستطيع التعمّق بمفهوم القوى استنادًا لقوانين نيوتن الثلاثة، ألا وهي:
- قانون نيوتن الأول: يبقى الجسم الذي يتحرك بحركةٍ مستقيمةٍ منتظمةٍ، أو الذي يكون في حالة الراحة، على حاله ما لم تطبّق أي قوةٍ خارجيةٍ عليه؛ أي يكون مجموع القوى الخارجية المؤثرة عليه تساوي الصفر.
- قانون نيوتن الثاني: إذا أثرت قوةٌ خارجيةٌ على جسمٍ ما، سينتج تسارعًا (Acceleration)، والتسارع هو التغير في السرعة، ويكون هذا التسارع باتجاه القوة ويتناسب طردًا مع شدّتها وعكسًا مع كتلة الجسم.
- قانون نيوتن الثالث: وهو قانون الفعل ورد الفعل، فإذا أثّر جسمٌ ما على جسمٍ آخر بقوّةٍ معينةٍ، فإنّ الجسم الآخر سوف يؤثّر على الجسم الأول بنفس القوة.
من القوانين المهمة المستخدمة لحساب أي قوة: F=m.a، حيث يرمز للقوة بالرمز (F)، ووحداتها في النظام العالمي للوحدات هي نيوتن (N)، و (m) كتلة الجسم، و(a) تسارع الجسم. من الوحدات الأخرى المستخدمة: كيلوغرام ثقلي (Kilo Pond)، باوندال (Poundal)، داين (Dyne)..
تصنيف القوى
يمكننا في البداية تصنيف القوى إلى فئتين رئيسيتين هما:
- قوى الاتصال (Contact Forces): هي القوى التي تنشأ بين جسمين أو كائنين متصلين مع بعضهما فيزيائيًّا، ومن الأمثلة عنها: قوى الاحتكاك، وقوى التوتر، وقوة مقاومة الهواء، وقوة الربيعة، والقوى الطبيعية، وسنتحدث لاحقًا بالتفصيل عن هذه القوى.
- القوى الممتدة على مسافة (Forces Resulting From Action-at-a-Distance): هي القوى التي تنشأ بين جسمين أو كائنين ليسا متصلين مع بعضهما بشكلٍ مباشرٍ، إذ يوجد بينهما فصلٌ مكانيٌّ، ومع ذلك، يتشكل بينهما قوة تمارس الدفع أو السحب، ومن الأمثلة عنها: قوى الجاذبية التي يمكن أن تنشأ بين الشمس والكواكب الأخرى، أو بين الإنسان وسطح الأرض، والقوى الكهربائية التي تنشأ بين البروتونات والإلكترونات في الذرة، والقوى المغناطيسية بين مغناطيسين مثلًا..
القوى المتوازنة والقوى غير المتوازنة
لنتعرّف على تفاصيلهما:
- القوى المتوازنة: نقول عن قوتين أنهما متوازنتان إذا كانت القوتان متساويتين وتؤثران في جسمٍ معينٍ ولكن باتجاهين متعاكسين، وفي هذه الحالة يبقى الجسم الثابت ساكنًا، أمّا الجسم المتحرك فيبقى متحركًا بنفس الشدة ونفس الاتجاه. مثال عن هذه القوى: كتاب موضوع على طاولةٍ، القوتان هما وزن الكتاب ورد فعل الطاولة، متساويتان ومتعاكستان بالاتجاه فهما قوتان متوازنتان.
- القوى غير المتوازنة: هنا، تكون القوتان المؤثرتان في الجسم غير متساويتين، إذ ينتج ما يسمى بمحصلة القوى (وهي حاصل طرح شدتي القوتين ويكون اتجاهها باتجاه القوة الأكبر)، وفي هذه الحالة، يتحرك الجسم الثابت باتجاه وبشدة المحصلة، أمّا الجسم المتحرك سوف يغيّر سرعته وجهته. مثال عن هذه القوى: شاحنة تتحرك بقوة دفعٍ للمحرّك قدرها F=100N، ومقاومة الهواء قدرها F=40N، وتكون محصلة القوى F=100-40=60N، وتكون الشاحنة متحركةً باتجاه الأمام (جهة دفع المحرّك لأنّها هي الأكبر)..
أنواع القوة
يمكننا تصنيف القوة إلى عدّة أنواعٍ:
- القوة التطبيقية (Applied Force): ويرمز لها (Fapp)، وتتمثل بالقوة التي يطبّقها كائن ما على كائنٍ آخر، كأن يقوم شخصٌ ما بدفع كرسي موجود في غرفة.
- قوة الجاذبية (Gravity Force) أو الوزن: ويرمز لها (Fgrav)، وهي القوة التي تطبّقها الأرض، أو حتى القمر، على الأجسام وتجذبها إليها، فجميع الأجسام الموجودة على سطح الأرض تخضع لقوة الجاذبية الأرضية التي تتجه نحو الأسفل، وهي مساويةٌ لوزن الجسم على الأرض، فتصبح: Fgav= m.g، حيث g = 9.8 N/kg على سطح الأرض، و g=1.62m.s-2 على سطح القمر، وm هي كتلة الجسم.
- القوى الطبيعية العمودية (Normal Force): ويرمز لها (Fnorm)، وهي القوى الداعمة التي تساعد جسم ما متصل مع جسمٍ آخر ثابت، مثل القوة التي تمارسها الطاولة على كتابٍ موضوع عليها ليبقى ثابتًا، وهي قوةٌ صاعدةٌ نحو الأعلى.
- قوة الاحتكاك (Friction Force): ويرمز لها (Ffrict)، ويؤثر بها سطح أو جسم ما عندما يتحرك جسمٌ آخر عبره أو يحاول تجاوزه، وهناك نوعان من الاحتكاك هما الانزلاقي والثابت، وتعتمد قوة الاحتكاك على طبيعة وشكل السطحين ودرجة الضغط بينهما، مثل انزلاق كتابٍ على سطح طاولة، وهنا الطاولة تمارس قوة الاحتكاك على الكتاب. يمكن حساب قوة الاحتكاك بالعلاقة : Ffrict = µ.Fnorm، حيث µ معامل الاحتكاك.
- قوة مقاومة الهواء (Air Resistance Force): ويرمز لها (Fair)، وهي نوعٌ خاصٌّ من قوى الاحتكاك، تُمارس على الأجسام المختلفة في أثناء حركتها في الهواء، يتم غالبًا إهمال قوة مقاومة الهواء لصغرها وعدم القدرة على التنبؤ الصحيح بقيمتها.
- قوى التوتر (Tension Force): ويرمز لها (Ftens)، وهي القوى التي تنتقل عبر حبلٍ أو خيطٍ مشدودٍ بقوةٍ، عن طريق قوة مطبّقة على طرفي الخيط تدعى قوة الشد.
- قوة شد الربيعة ذات النابض (Spring Force): ويرمز لها (Fspring)، يمارسها نابض مضغوط أو مستطال على جسمٍ معينٍ مرتبط به..
الأسئلة الشائعة عن تعريف القوة وأنواع القوى
تتمثل القوة في شكل دفع أو شد وهي تؤثر على حياتنا اليومية بشكل مباشر، لأنه بدون القوة لن يتمكن الناس من فتح وإغلاق الأشياء أو رفع أذرعنا أو أرجلنا أو ممارسة أي شيء آخر.
تسمى القوى التي تعمل على جسم إما بشكل مباشر أو غير مباشر من خلال وسيط، بقوى التماس، ومن الأمثلة على قوى التماس هي:
1. القوة العضلية
2. القوة الميكانيكية
3. قوة الاحتكاك
يمكننا استخدام القوة العضلية للحيوانات مثل الثيران والخيول والجمال للقيام ببعض الأنشطة. قوة الاحتكاك هي نوع آخر من قوة التماس، والتي تعمل بين زوج من السطح المتلامسة وتميل إلى معاكسة حركة سطح مع سطح آخر.
تسمى القوى التي تعمل في الفراغات دون الاتصال المباشر بالجسم قوى عدم التماس، ومن الأمثلة على قوى عدم التماس هي:
1. قوة الجاذبية
2. القوة الكهروستاتيكية
3. القوة المغناطيسية
القوة التي يمارسها المغناطيس على المغناطيسات الأخرى تسمى القوة المغناطيسية. تؤثر القوة المغناطيسية والقوة الكهروستاتيكية على جسم من مسافة بعيدة. هذا هو سبب كونهم قوى غير متصلة. قوة الجاذبية هي قوة جاذبة تمارسها الأرض على الأشياء مما يجعلها تسقط على الأرض. وزن الجسم هو القوة التي تجذبها الأرض نحو المركز.
في الفيزياء، تأتي القوة من عملية الدفع أو الشد على جسم ذي كتلة مما يؤدي إلى تغيير سرعته. القوة هي عامل خارجي قادر على تغيير حالة الجسم في الراحة أو الحركة. ويكون لها مقدار واتجاه.
من الناحية النظرية، ومن خلال النهج الاستقرائي الاستنتاجي، يتم تصنيف القوى البشرية إلى ستة أبعاد (الجنس، والإنجاز، والقوة الاجتماعية، والعلائقية، والميتافيزيقية والوراثة) وبعد ذلك في أربعة اتجاهات أدارية التصنيف هي: (تجريبي، اجتماعي، نفسي اجتماعي وما ورائي).