متى يكون الجسم غير متزن

يكون الجسم غير متزن عندما يكون

يكون الجسم غير متزن عندما يكون

محصلة القوى لا تساوي صفر .

والإجابة على سؤال متى يكون الجسم غير متزن هي عندما تكون محصلة القوى المؤثرة عليه لا تساوي صفر فتكون هذه القوى لها تأثير على الجسم فتحركه وبالتالي يصبح غير متزن، حيث تعمل قوة التوازن في اتجاهات متعاكسة وتؤثر على جسم ثابت، مثل حركة السيارة في خط مستقيم بسرعة ثابتة والقوة المؤثرة عليها متوازنة؛ والإتزان في علم الفيزياء هو تغير حركة الجسم، وأي جسم في حالة توازن تكون محصلة القوى المؤثرة عليه تساوي صفر.

ما هو التوازن

التوازن في الفيزياء هو



حالة الحركة أو الطاقة الداخلية للنظام التي لا تتغير بمرور الوقت .


وستستمر في هذه الحالة إلى أجل غير مسمى ما لم تتدخل قوة خارجية معها، ويحدث التوازن إذا كان مجموع جميع القوى المؤثرة على الجسيم هو صفر، وإذا كان مجموع جميع عزم الدوران المؤثرة على الجسيم يساوي صفرًا، كما أن الجسم الصلب يعتبر في حالة توازن دائمًا، بحيث في حالته تظل الحركة الدورانية ثابتة، ويقال أن التوازن يكون مستقرًا إذا كانت القوى الناتجة عن عمليات الإزاحة الصغيرة التي تحدث خارج الحالة تميل إلى مقاومة الإزاحة وإعادة الكائن أو الجسيم إلى حالة التوازن، ومن أبرز الأمثلة على ذلك هي الكرات المتوازنة على حافة شفرات الحلاقة.[1]

تتميز الأجسام في حالة التوازن بطبيعتها المستقرة من حيث الحركة والطاقة، ولا تعد ملاحظة الأشياء في حالة توازنها مشهدًا مألوفًا نظرًا لأن العديد من القوى الداخلية والخارجية تتأثر بها؛ والجاذبية هي أكثر الأمثلة شيوعًا للقوى التي تتعرض لها الأجسام، ونتيجة لذلك فإنها عادة ما تكون في حالة اضطراب إذا لم تكن متوازنة بقوة مساوية ومعاكسة، هذا لا يعني بالضرورة أن القوتين المتعارضتين يجب أن تكونا متساويتين حتى يكون الجسم في حالة توازن.[2]

أنواع الاتزان

• التوازن الساكن.
• التوازن الديناميكي.
• توازن مستقر.
• توازن غير مستقر.

التوازن الساكن


:

وهو نوع التوازن الذي يكون فيه ناتج جميع القوى المؤثرة على الجسم صفرًا، أي أن صافي تسارع الجسم يساوي صفرًا، كما أن سرعة الجسم تساوي صفرًا، مما يدل على  أن الجسم في حالة راحة، فعند توافر تلك الشروط هذا يعني أن الجسم في حالة توازن ثابت أو ساكن.

التوازن الديناميكي


:

وهو نوع التوازن الذي يكون فيه ناتج جميع القوى المؤثرة على الجسم صفرًا، أي أن صافي تسارع الجسم يساوي صفرًا، لكن سرعة الجسم ليست صفراً، أي أن الجسم يتحرك بسرعة ثابتة، فإذا كانت القوة الكلية المؤثرة على الجسم تساوي صفرًا، ولا تزال تتحرك بسرعة ثابتة فيُقال إن الجسم في حالة توازن ديناميكي.[3]

توازن مستقر:

إذا تم دفع الجسم خارج التوازن، نقول إنه قد تم إزاحته من حالة التوازن، وإذا كان الجسم يميل إلى العودة نحو موضع توازنه، فيجب أن يكون في منطقة توازن مستقر والقوة التي دفعته للخلف هي قوة استعادة، على سبيل المثال؛ عندما تتدلى ذراعك من كتفك فإنها في حالة توازن مستقر، وإذا تم رفع ذراعك إلى الجانب ثم تركه، فسوف يتراجع إلى وضع التعليق؛ إذا فالذراع المعلقة هي وضع ثابت لأن مركز ثقل الذراع يقع أسفل قاعدة الدعم وهو الكتف، وعند إزاحة ذراعك (رفعه قليلاً)، فإن قوة الجاذبية المؤثرة على ذراعك ستسبب عزم دوران يدور ذراعك مرة أخرى لأسفل إلى وضع التعليق.

توازن غير مستقر


:

عندما يتم إزاحة نظام في حالة توازن ودفع صافي القوة بعيدًا عن موضع التوازن، فلا بد أن الجسم في حالة توازن غير مستقر، وتعتبر محاولة موازنة قطعة من الرخام على حجر مثالاً جيدًا لهذا النوع من التوازن، فيكون الرخام في حالة توازن ثابت طالما أنه لا يتحرك خارج الحجر في المركز، وتكون القمة عند حافة الانحدار مماثلة لنقطة التحول؛ بعد هذه النقطة لن يتحرك الرخام للخلف باتجاه وضع التوازن.[4]

شروط التوازن

• الشرط الأول.
• الشرط الثاني.

يجب استيفاء شرطين للتوازن لضمان بقاء الكائن في حالة توازن ثابت وليصبح الجسم متوازن؛ وهما كالتالي.

الشرط الأول للتوازن:

وينص الشرط الأول للتوازن على أنه لكي يظل الكائن في حالة توازن، يجب أن تكون القوة الصافية التي تعمل عليه في جميع الاتجاهات صفرًا، أي أن الجسم يجب ألا يعاني من التسارع، حيث تكون سرعة الكائن صفرًا، ويتحرك الجسم بسرعة ثابتة، ويتم الإشارة إلى الشرط الأول للتوازن على النحو التالي:

F = 0

الشرط الثاني للتوازن:

وينص الشرط الثاني للتوازن على أن صافي عزم الدوران الذي يعمل على الكائن يجب أن يكون صفرًا، وإذا لم يحقق الجسم التوازن على الرغم من استيفاء الشرط الأول للتوازن، فذلك لأنه يميل إلى الدوران، ويستوفي الجسم الشرط الثاني للتوازن عندما يكون عزم الدوران الناتج عنه صفرًا، رياضيًا يتم تمثيلها على النحو التالي:

∑ τ = 0

عزم الدوران هو المكافئ الدوراني للقوة، ويتم حساب عزم الدوران بواسطة المعادلة التالية:

τ = rFsinθ

حيث τ هي رمز عزم الدوران، و r هي المسافة من النقطة المحورية إلى النقطة التي يتم فيها تطبيق القوة، و F مقدار القوة، و هي الزاوية بين القوة والمتجه الموجه من نقطة التطبيق إلى النقطة المحورية.[5]

العلاقة بين القوة والتسارع هي

فتكون العلاقة بين القوة والتسارع هي

علاقة طردية حيث تتناسب السرعة طرديًا مع القوة المؤثرة على الجسم .


فعندما تتضاعف القوة المؤثرة على دفع الجسم أو شده تتضاعف سرعة هذا الجسم تلقائيًا، والعكس بالنسبة للكتلة؛ فعند مضاعفة الكتلة تتناقص سرعة الجسم للضعف.

ولفهم العلاقة بين القوة والتسارع، من الضروري التعرف على قانون نيوتن الثاني؛ والذي ينص على أنه لا يمكن لأي جسم أن يتسارع ما لم تكن هناك قوة صافية تؤثر عليه، ثم يخبرنا قانون نيوتن الثاني عن مقدار القوة الكلية اللازمة لتسريع جسم معين، ومن المعروف أن قانون نيوتن ينص على أن القوة المؤثرة على جسم ما تساوي كتلة هذا جسم في العجلة “F = ma”، ولتوضيح قانون نيوتن الثاني، هناك علاقة مشتقة من القانون الأول تتعلق بالقوة الكلية ” a = £F \ m”.

أمثلة على الأجسام الغير متزنة

• أرجوحة بها شخص أثقل على جانب واحد.
• ضرب كرة بيسبول بقوة.
• تسريع سرعة السيارة.
• جسم يغرق في الماء.
• طائرة تدور؛ حيث يتغير كل من الاتجاه والسرعات.

أمثلة على الأجسام المتزنة

• وزن الجسم والقوة الطبيعية المؤثرة على الجسم؛ حيث يعمل الوزن في الاتجاه الهبوطي بسبب الجاذبية، وتعمل القوة العادية في الاتجاه المعاكس بنفس القدر.
• سيارة تُدفع من جانبين متقابلين بنفس القوة المؤثرة؛ ستبقى السيارة في حالتها من السكون ولن تتحرك ابدًا.
• كرة معلقة بحبل؛ فيوازن وزن الجسم الشد الناتج عن الحبل.
• الميزان؛ حيث يكون الوزن في كلا القدرين متساويًا تمامًا.
• مثبت السرعة في السيارة؛ يتم الحفاظ على السيارة بسرعة موحدة بسبب القوى المتوازنة.
• طائرة في حالة طيران ثابتة على مستوى الأجنحة في حالة توازن؛ فيتم موازنة رفع الطائرة بالوزن ويتم موازنة الدفع بواسطة السحب.[6]