تعريف مخططات الجسم الحر وأمثلة عليها

مخططات الجسم الحر

تُعرف مخططات الجسم الحر بالانجليزية بـ Free Body Diagrams  واختصارها (FBD)، وهي عبارة عن تمثيل تصويري يُستخدم لدراسة جميع القوى المؤثرة على جسم ما معزولًا عن باقي الأجسام.

مخطط الجسم الحر تمثيلًا تصويريًا غير مادي يُشير فيه:

• اتجاه السهم إلى الاتجاه الذي تؤثر فيه القوة.
• حجم السهم إلى مقدار القوة،

لذلك تُستخدم عادة  مُخططات الجسم الحر لمعرفة:

• الحجم النسبي للقوى المؤثرة على جسم ما في موقف معين.
• الاتجاه النسبي للقوة المؤثرة على جسم ما تحت ظروف معينة.
• مجموع القوى المؤثرة على الجسم من جميع الاتجاهات في وقت واحد. [1][2]

هل يُظهر مخطط الجسم الحر القوى التي يؤثر بها الجسم على المحيط الخارجي

لا، لايُظهر مُخطط الجسم الحر القوى التي يؤثر بها الجسم على الأجسام من حوله.

وفقًا للتعريف العلمي الخاص بمُخطط الجسم الحر، يُظهر المخطط جميع القوى المؤثرة على الجسم نفسه دون النظر إلى القوى التي يؤثر بها على العالم الخارجي. [1][2]

كيف نرسم مخطط الجسم الحر

• رسم الجسم قيد الدراسة على هيئة صندوق تمثيلي أو نُقطة لاستيضاح نقطة التلامس.
• تحديد القوى المؤثرة على الجسم.
• استبدال جميع تفاعلات الجسم والقوى المؤثرة عليه بسهم يُشير اتجاهه الخاص إلى اتجاه تأثير القوة.
• إهمال مقاومة الهواء والاحتكاك ضمن مُحصلة القوى.
• مراعاة قوى التسارع في حالة حركة الجسم بتأثير القوى المؤثرة عليه  أو السحب لأعلى كذلك.

تحديد القوى المؤثرة على الجسم: تحتاج هذه الخطوة إلى دراسة جيدة لأنواع القوى المؤثرة على الجسم في حالة التوازن أو حالة بذل جهد مثل:

• قوى الوزن أو الجاذبية.
• قوة رد الفعل.
• قوى الاحتكاك.
• قوة الدفع أو السحب.

وتُحدد عادة القوى المؤثرة على الجسم عقب تحديد نُقطة تلامسه مع الوسط الخارجي.

ويجب التنويه إلى طبيعة بعض القوى الأساسية المؤثرة على الأجسام، حيث تُمثل:

• قوة الوزن بسهم مُتجه إلى الأسفل دائمًا.
• قوة الأحتكاك بسهم موازي لسطح التلامس دائمًا.
• القوى العمودية بسهم عمودي على سطح التلامس. [1][2]

مسائل تطبقية على مخططات الجسم الحر

السؤال الأول: وُضع كتاب على سطح طاولة، وتُرك في موضعه حتى نهاية اليوم، ارسم القوى المؤثرة على الكتاب بواسطة مخطط الجسم الحر

الحل: يتأثر الكتاب في حالة وضعه عل سطح الطاولة دون التأثير عليه بقوى خارجية بقوتين أساسيتي:

• قوى الوزن أو قوى الجاذبية ورمزها (F grav).
• القوة العمودية (The normal force) على قوة الجاذبية وفقًا لقوانين نيوتن للحركة ورمزها (F Norm)

السؤال الثاني: وُضع كتاب على سطح طاولة، ومن ثم تم التأثير علي بواسطة قوة في اتجاه اليمين، ارسم القوى المؤثرة على الكتاب بواسطة مخطط الجسم الحر

الحل: يتأثر الكتاب في حالة وضعه عل سطح الطاولة ومن ثم التأثير عليه بقوة في اتجاه اليمين بعددًا من القوى:

• أولًا، قوى الوزن أو قوى الجاذبية (Gravitational Force) ورمزها (F grav).
• ثانيًا، القوة العمودية (The normal force) على قوة الجاذبية وفقًا لقوانين نيوتن للحركة ورمزها (F Norm)
• ثالثًا، القوة المُطبقة على الكتاب في اتجاه اليمين (Applied Force) ورمزها (F app)
• رابعًا، قوى الاحتكاك المُضادة للقوى المُطبقة (Frictional Force) ورمزها (F frict)

السؤال الثالث: سقطت بيضة من عش ما على شجرة، ارسم مُخطط الجسم الحر للبيضة مع اهمال مقاومة الهواء.

الحل: تتأثر البيضة عند سقوطها من العش عند اهمال مُقاومة الهواء بقوة الجاذبية فقط (Gravitational Force) ورمزها (F grav).

السؤال الرابع: هناك سيارة تتحرك على طريق سريع وتتجه نحو اليمن، ومن ثم تبدأ في ابطاء سرعتها، ارسم مُخطط الجسم الحر الخاص بهذه السيارة مع اهمال مقاومة الهواء.

الحل: تتأثر العربة في حالة حركتها على الطريق بقوة في اتجاه اليمين بعددًا من القوى:

• أولًا، قوى الوزن أو قوى الجاذبية (Gravitational Force) ورمزها (F grav).
• ثانيًا، القوة العمودية (The normal force) على قوة الجاذبية وفقًا لقوانين نيوتن للحركة ورمزها (F Norm)
• رابعًا، قوى الاحتكاك المُضادة للقوى المُطبقة لحركة السيارة في اتجاه اليمين (Frictional Force) ورمزها (F frict)

هل يخضع مُخطط الجسم الحر لقوانين نيوتن للحركة

نعم يخضع مُخطط الجسم الحر لقوانين نيوتن الأولى والثالثة الخاصة بالحركة.

يقوم مُخطط الجسم الحر اعتمادًا على القانون الأول والثالث للحركة الخاص بنيوتن والذان ينصان على:

• ثبات الجسم في حالة اتزان وثبات عندما تكون مُحصلة القوى المؤثرة على الجسم تُساوي صفر وفقًا لقانون نيوتن الأول.
• تأثر القوى بقوى مُضادة كرد فعل لحدوث الفعل نفسه وفقًا لقانون نيوتن الثالث. [1][2]

المحتويات المرئية المُتاحة إلكترونيًا لدراسة مخطط الجسم الحر

نقدم لكم فيما يأتي مجموعة مختارة من الفيديوهات والمواقع التعليمية المُبسطة لدراسة مُخطط الجسم الحر بشكل تعمقي أكثر باللغة العربية:

• أولًا، فيديو تعليمي مُقدم عن مُخططات الجسم الحر وطُرق حل المسائل الدراسية، مُقدمة من أحد أساتذة الفيزياء.

• الدرس التعليمي المُقدم على منصة نجوى البريطانية لشرح قانون نيوتن الثالث للحركة وربطه بمخطط الجسم الحر وذلك من خلال هذا الرابط.