القوى الفيزيائية
المؤلف:
د. مهند البديري
المصدر:
الفيزياء من الخرافة الى الحقيقة
الجزء والصفحة:
ص233
2025-11-02
19
ااستطاعت القوانين الفيزيائية ان توصف القوة وصفا كميا، ويستطيع الانسان ان يفهم القوة الفيزيائية عندما يحرك جسما، أو يرفع حملا فالقوة هي التأثير الذي يحدثه جسم بجسم اخر. استطاع نيوتن ان يكتشف قوانين القوة الميكانيكية التي ادهشت السابقين واللاحقين وصاغ قوانين شاملة لحركة الاجسام بصيغة رياضية دقيقة تشمل حركة الاجرام السماوية والاحجار والسيارات والطائرات والقطارات، وملخص قوانينه هو ان التغير الحاصل في حالة حركة الاجسام يعود الى الفعل المتبادل فيما بينها. كان الفلاسفة الاغريق يعتقدون أن الاجسام لا تستمر بالحركة الا بتأثير خارجي ، وبدون هذا التأثير فان الاجسام لا يمكن لها ان تتحرك وهذا يعني ان الحركة بنت القوة ، وبدون القوة لا حركة في الكون . كما ان الجسم الذي يتحرك بسرعة ثابتة لا يمكن له أن يزيد من سرعته، أو ينقص منها بدون تأثير قوة خارجية وعلى أي حال فالأجسام التي تتحرك بالقصور الذاتي لا يمكن تحافظ على سرعتها الثابتة ، وذلك لوجود مقاومة الهواء، أو الماء ، أو سطح صلب ، وهذا ما يسمى بقوة الاحتكاك التي تكون دائما معاكسة لحركة الجسم فتعيق حركته ؛ ومن ثم تسبب تناقصاً في سرعته ، ان الانسان يمتلك قوة عضلات ، وهو يستطيع بواسطتها أن يرفع اجسامًا ذات ثقل معين وهو عندما يرفع جسما ما فانه يتغلب على قوة وزن الجسم، وان لم تكن قوة عضلاته كافية لرفع الجسم هذا يعني أن وزن الجسم اكبر من قوة عضلاته اما اذا رفعه عند ذلك تكون القوة العضلية لديه مساوية لقوة وزن الجسم من حيث القيمة ومعاكسه له من حيث الاتجاه.
ان القوة والحركة وجهان لعملة واحدة ، فالجسم غير المتحرك تؤثر فيه قوتان ، أو مجموعة من القوى متساوية بالمقدار، ومتعاكسة بالاتجاه ؛ مما تجعل الجسم في حالة سكون ، والجسم كلما زادت القوة المؤثرة عليه كلما زادت حركته باتجاه القوة ، وهذا التزايد بالسرعة يسمى تعجيلا ، أو تسارعا ، واثبت نيوتن ان تسارع الجسم يزداد بزيادة القوة المؤثرة فيه ويتناقص بازدياد كتلته ، فكلما كانت كتلة الجسم اكبر كان التسارع اقل ، فالتسارع يرتبط بالقوة ارتباطا وثيقا فمثلا لو اردنا للكرة المستخدمة في لعبة كرة المنضدة ان تتساوى من حيث التسارع مع كرة مصنوعة من الرصاص، تزيد كتلتها عن كتلة كرة المنضدة ب 300 مرة يجب علينا ان نسلط على كرة المنضدة قوة تزيد على القوة المسلطة على الكرة الرصاصية بمقدار 300 ضعف. وبهذا اصبح للقوة الميكانيكية تعريف دقيق ولكن لم يفسر علم الميكانيكا ظهور هذه القوى ، أو تلك؛ نتيجة لبعض العمليات الفيزيائية ، وعبر نيوتن عن ذلك بقوله: "انني لا اعرف بالذات كيف يبدو مظهري للعالم ويبدو لي شخصيا بانني كنت صبيا فقط؛ ألهو على ساحل البحر، وأرفه عن نفسي بين الحين والآخر؛ لأحصل على حصاة اكثر ملاءمة من غيرها ، أو محارة اجمل من المحارة العادية في الوقت الذي كان في محيط الحقيقة العظيم يمتد أمامي بسره الذي لم يفسر مطلقا ".
حار العلماء في تفسير ماهية القوة، واكتفوا بتحديد قيمتها فقط ، والفيزياء عادة لا تتوصل الى معرفة ماهية كل الأشياء، وتكتفي بحساب المقدار وفق قانون رياضي، وهذا الذي سبب نقصاً في علم الفيزياء مازال قائما الى اليوم، وعبّر عن ذلك العالم بوانكاسيه بعبارة: "بقعه سوداء في العلم ".
حاول العلماء استبدال القوة بمفاهيم أخرى كالطاقة والزخم ، وبذلك صار مصطلحا الزخم والطاقة يدخلان في المعادلات الرياضية بدلا من القوة، وأصبحا يكتسبان أهمية أكثر، فأكثر ؛ وبينت المعادلات المعتمدة على الزخم والطاقة الخواص الكمية للفعل المتبادل ، وحالتها الحركية، وتم إعادة صياغة قوانين نيوتن في القوة بدلالة الطاقة والزخم ؛ فالقوة تسبب الحركة ، والحركة هي طاقة، وهذان الوصفان أي الحركة والطاقة، متماثلان تماما كما ان الطاقة تتحول من شكل الى اخر، لكنها محفوظة ، فتحول الطاقة من شكل الى اخر ، هو اشبه بترجمة الكلمات من لغة الى أخرى فيختلف اللفظ والمعنى واحد، وبذلك اصبح الوصف المبني على الطاقة يحل محل الوصف المبني على القوة تدريجيا. ان مفهوم القوة له معنى كمي دقيق في الميكانيكا فقط اما مفهوم الطاقة فانه ينتقل الى العمليات ذات الطبيعة المختلفة مثل الطاقة الحرارية، والطاقة الكهرومغناطيسية، والنووية فالبعض يتوهم بان قوانين نيوتن في القوة تعطي وصفاً لمجموعة كبيرة من الجسيمات لكن الحقيقة ان هذه القوانين لا تعطي وصفا دقيقا لمجموعة من الجسيمات؛ وبذلك استبدلت الفيزياء الاحصائية بقوانين نيوتن التي تعتمد أساسا على الطاقة فالتغير الحاصل في الغاز الموضوع في اسطوانة يدرس بدلالة الطاقة لا بدلالة القوة.
ان الكتاب الموضوع على منضدة يؤثر في المنضدة بقوة ، وهي قوة وزنه المتجهة نحو الأسفل، والمنضدة بدورها توثر فيه بقوة تساوي قوة وزنه بالمقدار، وتعاكسها بالاتجاه ، وبذلك يكون الكتاب مستقراً على سطح المنضدة لا ينزل ولا يصعد، وقد صاغ نيوتن قانونًا لذلك بان لكل فعل ردة فعل مساوية بالمقدار ومعاكسة بالاتجاه سمي بقانون نيوتن الثالث فلو سألت الشخص غير المتعلم عن سبب عدم سقوط الكتاب على الأرض لأجابك بان المنضدة تمنعه من ذلك ، وهذه اجابة صحيحة ، لكنها تفتقر الى التفسير العلمي، او الأسباب التي تجعل المنضدة تمنع الكتاب من السقوط اما إجابة الفيزياء عن ذلك فهي ان الكتاب معرض الى قوة من المنضدة متجهه نحو الأعلى وهذه القوة تعادل قوة وزنه المتجهة نحو الأسفل.
كما ان الذي يمنع انزلاق الكتاب من على سطح المنضدة هي قوة الاحتكاك حيث ان نتوءات غلاف الكتاب وسطح المنضدة يتشابكان مع بعضهما وهذا التشابك يمنع الكتاب من الانزلاق من على سطح المنضدة لكن ما ان نزيد في ميل المنضدة حتى تبدأ النتوءات بالانفصال عن بعضها فسيسقط الكتاب من على سطح المنضدة.
إن قوة الاحتكاك ضرورية في الحياة ولولاها لما بقي شيء في الكون، فبدون قوة الاحتكاك لا نستطيع أن نجلس، أو نمشي، أو نقف، وبدونها لأصبحنا كالجسم الموضوع على سطح جليدي مائل لا يعرف إلى أين سينتهي به المطاف.
اننا إذا نظرنا إلى أي جسم صلب بمجهر سنراه أشبه بالأرض الجبلية؛ فالنتوءات فيه لا تحصى، وعندما نضع جسماً على سطح تتداخل هذه النتوءات مع بعضها؛ مما تجعل الجسم مرتبطاً بالسطح بقوة وهذه القوة تسمى قوة الاحتكاك، كما قلنا، فنحن عندما نضع قدمنا على الأرض في أثناء سيرنا تتداخل نتوءات حذائنا بنتوءات سطح الأرض ؛ مما يولد قوة بين الحذاء وسطح الأرض ، فتمنع القدم من الانزلاق.
إن الجسم الموضوع على منضدة يبقى مستقراً عليها ؛ بسبب قوة الاحتكاك الناتجة من تداخل نتوءات الجسم مع نتوءات سطح المنضدة ، وهذا التداخل بين النتوءات لا يسمح للجسم بالانزلاق من على سطح المنضدة وهذا مايسمى بقوة الاحتكاك السكوني. وإذا ما زدنا ميل المنضدة تنفصل النتوءات ، وتتكسر الأربطة الجزيئية ؛ وعند ذلك يبدأ الجسم بالانزلاق. ومع ذلك تبقى قوة الاحتكاك مؤثرة لكنها ليست كما في الحالة الأولى و هذه القوة تسمى قوة الاحتكاك الانزلاقي كما أنه كلما زادت نعومة الجسم ، أو زاد صقل السطح الخارجي له كلما قلت قوة الاحتكاك ، فهنا ستكون قوة الاحتكاك صغيرة إلى درجة بحيث تكون نتوءات الجسمين فيها غير قادرة على التداخل فيما بينها بصورة تتغلب فيها على وزن الجسم.
أما الاحتكاك في السوائل، والغازات ، فهو موجود أيضا ، لكنه بدرجة أقل مما عليه في الأجسام الصلبة ، فعند حركة طبقتين متجاورتين من السوائل بالنسبة لبعضهما، يتكون بينهما اتصال ، أو تماس مثالي لا يمكن وجوده في حالة تماس سطوح الأجسام الصلبة مهما كانت نعومتها او اتقنت درجة صقلها. ان جزيئات أسرع الطبقات حركة تجر وراءها جزيئات الطبقة البطيئة ، وذلك لان الجاذبية الجزيئية تؤثر فيما بينها، وهي بدورها تفرمل حركتها بها. وهذا هو سبب اللزوجة، أو الاحتكاك الداخلي في السوائل.
وبسبب سيولة السائل لا يحصل هنا انقطاع للأربطة الجزيئية كلها كما في حالة انزلاق سطوح الأجسام الصلبة. و يقفز، قسم من الجزيئات في اتجاه تأثير القوى الجزيئية. ان قيمة الاحتكاك، تتناسب عكسيا مع سيولة السائل، وبذلك تقل كثيرا عن قيمة الاحتكاك الجاف، عندما تكون السرعة النسبية لطبقات السائل ليست كبيرة جدا. وفي الغازات، تكون المسافة المتوسطة ( معدل المسافة بين الجزيئات)، كبيرة للغاية بحيث لا يمكن للجاذبية الجزيئية أن تؤدي إلى ظهور الاحتكاك بين طبقات الغاز المتحركة بالنسبة لبعضها، ولو أن الجزيئات لا تطير خارج حدود هذه الطبقات لما وجد الاحتكاك بتاتا ولكن الحركة الحرارية تقذف الجزيئات خارج حدود الطبقات وعند انتقال الجزيئات من طبقة سريعة الحركة إلى طبقة بطيئة الحركة، تعمل الجزيئات عند تصادمها على تعجيل حركة هذه الطبقة، ويجب علينا أن نعلم بان العمليات الفيزيائية في حالتي الاحتكاك الجاف ، والاحتكاك السائل معقدة للغاية ، ولا توجد حتى الآن أية نظرية كمية مقبولة لهذه الظواهر.
إن رمي الحجر باتجاه معين لابد له في نهاية المطاف ان يعود الى الأرض سواء اتخذ مسارا مستقيما ، او منحنيا ؛ والسبب في ذلك هو ان مقاومة الهواء تجعل طاقته الناتجة من القوة التي رمي بها تقل تدريجيا ؛ فيسقط الى الأرض ، ولولا مقاومة الهواء له لاستمر في مساره ، ويبقى يدور حول الأرض كما يدور القمر حولها فدوران القمر حول الأرض هو سقوط نحو الأرض لكنه سقوط مستمر الى ما لانهاية، ولذلك نرى القمر يتبع الأرض أينما سارت والجاذبية هي من تسبب هذا السقوط للقمر ، والحجر ايضا.
درس الفلاسفة الاغريق حركة القمر والكواكب فالفيلسوف الاغريقي (اناكسافور) قال: ان القمر لولا حركته لسقط على الأرض كما يسقط الحجر عليها ، لكن اقوال فلاسفة الاغريق حول الطبيعة لم يكن لها أي تأثير عملي في تطور العلم ذلك، لأنها تفتقر الى القوانين الرياضية والفيزياء بدون رياضيات هي فيزياء عمياء وبذلك ذهبت اقوالهم ادراج الرياح. جاء كيبلر بعد ألفي عام وصاغ لأقوال فلاسفة الاغريق قوانين رياضية دقيقة حول حركة الكواكب ، وعند ذاك ابصرت الفيزياء النور . ثم قدم العالم روبرت هوك تعريفاً للجاذبية اقرب الى حد كبير مما وصل اليه كيبلر حيث قال ان كل الاجرام السماوية تمتلك جاذبية متجهة نحو مركزها وهي لا تجذب المادة المكونة منها فقط ، بل تجذب كافة الاجرام السماوية الأخرى الواقعة ضمن منطقة تأثيرها وان الاجسام المتحركة بانتظام على خط مستقيم تبقى محافظة على حركتها المستقيمة مالم تغير من اتجاهها قوة خارجية ، وعند ذاك تتخذ مسارا دائريا نتيجة تأثرها بقوة الجاذبية الأرضية. كما ان قوة الجاذبية الأرضية تزداد كلما اقترب الجسم الأرض، أو أي كوكب آخر. ان قوانين نيوتن في الحركة ساعدت العلماء على ادراك ان القوة هي اصل كل الظواهر الطبيعية ، وهي الخاصية الرئيسة للحركة، ولأجل تفسير كل حركة لا بد لنا ان نبحث عن القوة المسببة لتلك الحركة.
اكتشف نيوتن قانون الجاذبية وهي القوة التي تجبر الاجسام على السقوط على الأرض ، وتحدد حركة الاجرام السماوية ويعد هذا الاكتشاف أحد أعظم الانتصارات للعلم ، واقترن هذا الانتصار باسم نيوتن. كان غاليليو، وروبرت هوك يبدوان اهتماما يزيد على اهتمام نيوتن في سقوط الاجسام لكنهم لم يتوصلوا إلى القوانين الرياضية التي تصف قوة الجذب، لكن نيوتن الذي لم يعد اكثر منهم عبقرية استطاع ان يجمع بين القوانين الرياضية السابقة والمعاصرة ، ووظفها لصياغة قوانينه في الحركة، وسميت تلك القوانين بميكانيك نيوتن.
صاغ نيوتن قانوناً يصف الجاذبية العامة وهي عامة الى اقصى حد من بين كل قوى الطبيعة الأخرى وكل شي في الكون يخضع لقانون الجاذبية العامة ، ويتأثر بها قليلاً أو كثيرا.
ان قوة الوزن ماهي الا قوة جذب الأرض للجسم مضروبا بكتلته فالانسان عندما يزن جسمه بميزان قياس وزن الجسم ؛ فانه يؤثر في الميزان بقوة جذب الأرض له مضروبا بكتلته والميزان يقابل هذا الوزن بقوة متجهة نحو الأعلى ويسجل مقدار القوة التي تأثر بها.
لا يوجد جسم ساكن في الكون لا يتعرض الى قوة والقوة كما قلنا تجعل الجسم يتحرك باتجاهها ، لكن الجسم الساكن خاضع لمجموعة من القوى محصلتها تساوي صفرا، أي أن هنالك قوتان او اكثر تؤثر فيه وتكون متساوية المقدار ومتعاكسة في الاتجاه مما تجعله ساكنا لا يتحرك .
للسرعة علاقة بالقوة فلاعب كرة القدم كلما كانت قوة ضربته للكرة اكبر زادت سرعتها، ان قوة جذب الأرض للأجسام تكشف لنا نعمة الأرض للإنسان ، فالانسان بدون جاذبية الأرض يكون كالجسم العائم في الفضاء ولكن الجاذبية هي مستقر لكل شي من اجسام ومحيطات مائية وهوائية ولولاها لما بقي شيء على الأرض فهي بمنزلة ام لكل شيء يعيش عليها وسبحان الذي ارقدنا في مهاد أمنه وأمانه . كما ان الشمس تعتبر مستقرا للأرض؛ فلولا قوة الجذب بين الأرض والشمس لما استقرت الأرض في مسارها الثابت .
ان الشمس تجذب الأرض ومن عليها ، ولذلك فان مياه المحيطات تتحدب في النهار؛ نتيجة جذب الشمس لها ، اما في وقت الليل عندما تكون المحيطات في الوجه المعاكس للشمس؛ فان مياهها تنحسر وهذا ما يسمى المد والجزر.
قلنا في موضوع الجاذبية ان قوة الجذب تقل كلما كبرت المسافة بين الجسمين وتزداد بنقصانها، وهذا السبب الذي يجعل القمر له تأثير أكبر على عمليات المد والجزر؛ وذلك لقصر المسافة بينه وبين الأرض مقارنة بالمسافة بين الأرض والشمس. إن قوة التماسك والتلاصق بين أجزاء الأرض أكبر من قوة جذب الشمس لها، ولولا ذلك لتمزقت الأرض بفعل قوة جذب الشمس لها.
إن الجسم ما لم تؤثر فيه قوة خارجية، فأما يبقى ساكنا، أو يتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم، لكن السرعة الثابتة لا يمكن ان تتحقق علميا؛ ذلك لان الجسم المتحرك يتعرض الى قوة، أو مجموعة قوى خارجية تغير. مر رعته باستمرار فالجسم المتحرك عموديا يتعرض الى قوتين هي قوة مقاومة الهواء له، وقوة وزنه والجسم المتحرك افقيا فانه يعاني من قوة الاحتكاك المعاكسة لحركته بالاتجاه، وهذه القوى في كلتا الحالتين العمودية ، والافقية تغير سرعته مع مرور الزمن . فالجسم المقذوف للأعلى تتناقص سرعته تدريجيا الى ان تتوقف تماما ثم يبدا بالسقوط والجسم الساقط للأسفل تتزايد سرعته تدريجيا وهذا التناقص، والتزايد في كلتا الحالتين سببه قوة واحدة هي قوة الوزن ، أو الجاذبية التي تؤثر على الجسم ، فتسحبه بقوة نحو الأسفل، وهي بدورها تسبب زيادة او نقصانا في السرعة على حسب ما اذا كان الجسم ساقطا الى الأسفل او مقذوفا الى الأعلى، فالقوة المؤثرة على حركة جسم يسقط نحو الأرض والقوة التي تسبب دوران القمر حول الأرض هما قوتان من نوع واحد ، وهي قوة جذب الأرض للأجسام فهاتان الحركتان ماهما الا ظواهر خاصة لقوة جذب عامة تؤثر بين أي جسمين.
الاكثر قراءة في أشباه الموصلات
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
