3 أسئلة أساسية في الميكانيكا اليومية: القوة الخيالية، وحركة الدراجة، والتوازن النيوتوني

 هذه المرة 3 أسئلة على مستوى أكثر أساسية، ولكنها ليست أقل إثارة للاهتمام

هل القوة الطاردة المركزية موجودة؟ إذا لم يكن الأمر كذلك، فما هي تلك القوة الخيالية التي نشعر بها؟

 لا توجد مثل هذه القوة. بشكل عام يمكن القول أن قوة الطرد المركزي هي نتيجة ثانوية للتسارع وليست سببًا له. ومع ذلك، يشعر الجميع بهذه القوة عند تشغيل السيارة. إن قوة القصور الذاتي هي التي تجعلنا نتحرك في خط مستقيم خارج دائرة الحركة. القوة الجاذبة المركزية تسحبنا إلى الداخل. لتوضيح الفرق بين القوة العمودية وقوة الطرد المركزي، دعونا نتخيل أننا الجسم الذي يدور بواسطة حبل. القوى الموجودة في النظام هي القصور الذاتي الذي يدفعك خارج الدائرة في خط مستقيم، وقوة الحبل تسحبك إلى الداخل، والجمع بين الاثنين يخلق (عن طريق الاتصال المتجهي للمكونات المتعامدة) دائرة. لكن لا توجد قوة تسحبك خارج الدائرة، في اتجاه معاكس لاتجاه سحب الحبل. في الواقع يمكن القول أن الحبل يجعلك تتسارع ولكن في اتجاه مختلف عن الاتجاه الذي يسحبه، وهذا نتيجة لربط السرعات. مثال آخر على ذلك يمكن رؤيته إذا أطلقنا النار على أنفسنا من مدفع. نحن نتسارع نحو مركز المركز، ولكننا نتحرك بشكل قطري للأسفل وليس عموديًا بشكل مباشر.

 لماذا تسقط الدراجة أثناء وقوفها ولا تسقط إذا قدناها بسرعة؟

  عندما نركب دراجة فإننا ننشئ سرعة دورانية بمتجه يواجه (وفقًا لقانون اليد اليمنى) الجانب الأيسر. لقد خلقنا الزخم الزاوي، وهو عامل ثابت في الكون، وعلى أساس الحفاظ عليه سنثبت أن الدراجة الهوائية سوف تنحرف في الاتجاه المناسب في حالة السقوط. لنفترض أن الدراجة تريد أن تسقط إلى اليسار. الآن، تخلق القوة التي تمارسها الأرضية (على العجلة المائلة بزاوية نحو اليسار) عزمًا متجهًا في الاتجاه الخلفي للدراجة (مرة أخرى، باستخدام قاعدة اليد اليمنى). القوة هي القوة العادية، والذراع هو المسافة بين ملامسة العجلة للأرض ومركز كتلة الدراجة. وللتوضيح، يعرف كل طفل أن مركز ثقل الجسم لا يمكن أن يتجاوز طرف الظفر، لأننا بعد هذه النقطة سوف نسقط. وفي حالة الدراجة، سيكون التوازن إلى اليسار والخلف. لتعويض المكون المضاف (بما أننا قررنا أن الزخم يجب أن يبقى ثابتًا) يتم نقل الدراجة إلى اليسار. الآن مرة أخرى، العنصر الوحيد في الحركة الدوارة هو اليسار الجديد.

 إذا كانت القاطرة تؤثر بقوة تعادل القوة التي تؤثر بها المقطورة، فلماذا تتحرك؟ 
ينص قانون نيوتن الثالث على أنه إذا أثرت قوة على جسم، فإن الجسم يقاوم بقوة مساوية له في المقدار ومعاكسة له في الاتجاه. إذا كان كلاهما يمارسان قوى متساوية، ألا ينبغي أن يقفا ساكنين؟ السؤال الأساسي الذي يجب طرحه هو ما هو نظام المحور الذي نستخدمه. إذا وضعنا نظام المحور على القطار، فهناك قوتان: قوة المحرك وقوة سحب القطار. بالنسبة للنظام المثبت على السيارة، لا توجد سوى قوة سحب القطار. الفرق هو في القوى الخارجية في جميع الأنظمة. ينبغي النظر إلى المحرك كقوة خارجية تؤثر على القطار (لنفترض أن له نفس كتلة السيارة M) وليس كقوة تسحب السيارة. تتحرك القوة الحركية (F) مسافة 2m بتسارع ثابت أ. بما أن القطار يتحرك بتسارع a، فإن القوة التي تسحب القطار هي Ma . إذن، صحيح أن القوى التي يؤثر بها القطار والعربة تقابل بعضها البعض، لكن القوة المؤثرة على القطار تعادل ضعف القوة المؤثرة على القطار. إذا انتقلنا إلى حياتنا، في حالة الأشخاص الذين يدفعون بعضهم البعض في الصف عند البنك، يمكننا الإشارة إلى الاختلافات بين الاحتكاك الذي تمارسه أقدامهم على الأرض. وإذا كان الاحتكاك الذي يمارسه الثاني على الأرض هو نفس مقدار الاحتكاك الذي يمارسه الأول على الأرض - فنعم، لن يتحركوا حتى الغد. كل الفرق يكمن في القوى الخارجية: المحرك، الاحتكاك بالأرضية، اليد التي تمسك بشيء ما. فمثلا في المصافحة الفائز هو الشهيدالتي لا تنافسفي اليد اسحب نفسها، اسحب المقبض الموجود على جانب الطاولة بقوة. يبدو غريبا؟ يمكننا أن نرى المتنافسين كنظام واحد. يحتوي هذا النظام على قوتين خارجيتين فقط: اليدان اللتان تمسكان بالمقابض (سنهمل الاحتكاك بالأرضية، أو بالأحرى سندرج مساهمتها في قوة اليد الأخرى). إذا كانت هذه القوى متساوية (وكانت أيدي المتنافسين متساوية في الطول)، فسيظل المتنافسون في حالة تفاوض ثابت. إذا كانت القوة A أكبر من القوة B، فإن القوة B لن تكون قادرة على منع النظام من الحركة، وسيكون مجموع عزم الدوران مختلفًا عن الصفر، وسيلتوي النظام بأكمله في الاتجاه الذي تحركه القوة A. بالطبع يمكننا القتال بدون أيدي، ومن ثم فإن الذي يمارس قوة أكبر بحذائه على الأرض هو الذي يفوز. خلاصة القول بسيطة: عندما تقوم بتحريك ذراع الخصم، يجب أن يلتف جسمك في الاتجاه الآخر، بطريقة تعوض مظهر الزخم الزاوي. يمكننا أن نرى هذه الظاهرة في الأرجوحة. عندما يهز الطفل نفسه للأمام، يتم إنشاء متجه الزخم الزاوي الذي يواجه اليمين (وفقًا لقانون اليد اليمنى). لكن السلسلة ليست مثل الحذاء الذي يلامس الأرض، أي أنها مستقرة وقادرة على تطبيق عزم الدوران أو القوة. يمكن للسلسلة أن تمارس قوة رأسية فقط. ولذلك، فإن الطفل الذي "يرمي" ساقيه إلى الأمام سيشعر دائمًا بتحرك رأسه إلى الخلف، وبالتالي يتم الحفاظ على الزخم الزاوي في الكون.