تعهد القوة Force في الفيزياء على أنها مؤثر يؤثر على الأجسام فيسبب تغييراً في حالته أواتجاهه أوموضعه أوحركته. وهي نسبة تغير الزخم بالنسبة للزمن. القوى هي كميات متجهة (لها مقداراً واتجاهاً)، وتسبب في تعجيل الجسم بمقدار معين. عهد القوة أولاً أرشيميديس في القرن الثالث قبل الميلاد، ولكن إسحاق نيوتن فهم بمبادئ القوة الرياضية في القرن 17. تقاس القوى بوحدة النيوتن.

حسب قانون نيوتن الثاني، لفهم القوة تستخدم المعادلة التالية:

القوة = الكتلة × العجلة

إذا كانت العجلة تساوي عجلة الجاذبية الأرضية (9.8 متر/ثانية)، يمكن حساب الوزن كالتالي:

الوزن = 9.8 × الكتلة

القوة هي أيضاً نسبة تغير الزخم بالنسبة للزمن:

${\displaystyle {\vec {F ={\mathrm {d {\vec {p \over \mathrm {d t =m{\vec {a$

حيث: F = القوة، p = الزخم، t = الزمن، m = الكتلة، a = العجلة.

للقوة أنواع كثيرة، منها القوة الميكانيكية التي تعمل عندما تكون الأجسام في حالة تلامس. فدفع الكرة وتحريك بدال الدراجة ينتجان عن إعمال قوة ميكانيكية، في حين حتى الكهرباء والجاذبية والمغنطيسية قوى تعمل دون تلامس بين الأجسام، وتنشأ من مجال القوة. فالمجالات الكهربائية التي تنشأ حول الجسيمات المشحونة على سبيل المثال، تسبب إما تجاذبها أوتنافرها. وتتناول هذه الموضوعة أساسًا القوة الميكانيكية.

ويمكن للقوة حتى تؤثر عن بعد أوعن طريق التماس، كما يمكن حتى تأخذ أشكالاً مختلفة كقوة الثنطقة gravitationnelle، أوالكهراكدة électrostatique، أوالكهرمغنطيسية électromagnétique أوالمرنة élastique أوالهيدرودينامية hydrodynamique وغير ذلك. تتصف جميع القوى في حتى لها نقطة تطبيق point d’application واتجاهاً direction وشدة intensité. ويمكن تمثيلها بشعاع أومتّجهة يعتمد طولها على سلّم القياس المختار. إذا هجريب قوتين يعني استبدال قوة وحيدة تسبب العمل ذاته بهما؛ وتسمى القوى المكافئة محصِّلة résultante. وتُجمع القوى تماماً كما تجمع الأشعة. فمجموع قوتين متلاقيتين هوقطر متوازي الأضلاع الممثِّل لهما، وكذلك فإن محصلة قوتين متوازيتين في الحالة العامة هوقوة موازية، ويبين الشكلان (1ـ ب) و(1ـ جـ) ذلك، والشروط التي يجب حتى تحققها النقطة A، نقطة تطبيق المحصلة F. وقد تتساوى شدتا القوتين F1 وF2، وتتعاكسان في الاتجاه (الشكل 1ـ د) فعندئذ تكون محصلة القوتين صفراً، ويتعذر عندها تحديد موضع نقطة التطبيق A، وينطق عندئذ: إذا جملة القوتين تكافئ مزدوجة couple.

قياس القوة

لكي تقاس القوة يتحتم فهم كتلة الجسم وتسارعه. وكتلة الجسم هي كمية المادة التي يحويها. وتقاس الكتلة بالكيلوجرام أوالرطل. ويصف التسارع مقدار تغير السرعة الاتجاهية للجسم ووحداته هي وحدات المسافة مقسومة على مربع وحدات الزمن. فمثلاً يمكن حتى تتغير السرعة الاتجاهية للجسم بمعدل متر واحد في الثانية لكل ثانية، ويكون التسارع مترًا لكل ثانية مربعة. ويمكن أيضًا التعبير عن هذه الكمية بأنها التسارع المساوي لمتر واحد في الثانية في ثانية.

يمكن استعمال النظام المتري أووحدات النظام الإنجليزي في قياس القوة. ففي النظام المتري يعبر عن القوة بدلالة النيوتن. والنيوتن الواحد هوالقوة المطلوبة لإحداث تسارع قدره متر واحد في الثانية المربعة لجسم كتلته كيلوجرام واحد. والوحدة الأساسية للقوة في النظام الإنجليزي هي البوندال. والبوندال الواحد هوالقوة المطلوبة لإحداث تسارع مقداره قدم واحدة في الثانية المربعة لجسم كتلته رطل إنجليزي واحد.

وكان العالم الفيزيائي الإنجليزي السير إسحق نيوتن هوأول من وصف العلاقة بين القوة والكتلة والتسارع، وذلك في القرن السابع عشر الميلادي. فقد نص على حتى القوة الكبيرة تحدث تسارعًا أكبر مما تحدثه القوة الصغيرة، وأن تسارع الأجسام الثقيلة أقل من تسارع الأجسام الخفيفة. وقد عبر نيوتن عن العلاقة بين التسارع والقوة والكتلة بالمعادلة: ق = ك × ت. وفي هذه المعادلة ترمز (ق) للقوة المؤثرة على الجسم، (ك) لكتلته و(ت) للتسارع الذي يحدث للجسم. وتعهد هذه العلاقة بالقانون الثاني للحركة.

تفاعل القوى

في أحوال كثيرة تؤثر أكثر من قوة واحدة على الجسم في الوقت نفسه. وينتج عن هذه القوى المتلاقية قوة تسمى المحصلة.

والقوة المتلاقية التي تُحدث حركة عند تفاعلها تسمى القوة غير المتوازنة. فمثلاً عندما يدفع شخصان سيارة واقفة إلى الأمام فإن مجموع القوة المبذولة تتغلب على الاحتكاك بين الطريق وإطارات السيارة، فتبدأ السيارة في التحرك إلى الأمام.

والقوة التي لا تُحدث حركة عندما تتفاعل تسمى القوة المتوازنة. فمثلاً عندما تجلس على كرسي تجذب قوة الجاذبية جسمك نحوالأرض، وفي الوقت نفسه يدفعك الكرسي إلى أعلى، بعيدًا عن الأرض. فالقوة الناشئة من الكرسي تلغي قوة الجذب وتظل في مكانك ساكنًا. وينطق عن الجسم الذي تؤثر عليه القوة المتوازنة إنه في حالة اتزان.

حساب القوة المحصلة

حساب القوة المحصلة يحتاج المرء إلى فهم اتجاه ومقدار القوى المتلاقية. فإذا كانت هذه القوى تعمل في اتجاه واحد فإن القوة المحصلة يفترض أن تعمل أيضًا في الاتجاه نفسه. وفي هذه الحالة يساوي مقدار القوة المحصلة مجموع مقادير القوى المتلاقية. وإن كانت هناك قوتان غير متساويتين في المقدار، وتعملان في اتجاهين متضادين، فإن القوة المحصلة تعمل في اتجاه القوة الأكبر. ويكون مقدار القوة المحصلة مساويًا للفرق بين مقداري القوتين.

ويعمل كثير من القوى المتلاقية على زاوية تقع بينها. وتستخدم كميات تسمى المتجهات (الكميات المتجهة) لحساب محصلة القوة. وفي هذه الحالة يعبر المتجه عن مقدار واتجاه القوة بسهم يشير إلى اتجاه القوة. ويعطي طول هذا السهم مقدار القوة، ويمكن اختيار أي مقياس عند رسم المتجهات. وينتهي السهم بنقطة تسمى الرأس، وتسمى النهاية اللقاءة الذيل.

وهناك طرق ثلاث رئيسية لاستخدام المتجهات في تعيين القوة المحصلة: 1- طريقة متوازي الأضلاع 2-طريقة المضلع 3- الكيفية التحليلية.

أ ـ مقاييس الأوزان: يمثل وزن أي جسم قوة؛ هي قوة الثنطقة، أي قوة جذب الأرض للجسم، وهي قوة تسبب التسارع ذاته g لجميع الأجسام. وينتج من القانون الأساسي للتحريك حتى جسماً كتلته m يخضع إلى قوة تساوي mg هي ثقله. ويمكن تحديد قيمة g بدقة فائقة بوساطة مقياس الثنطقة gravimètre، كما يمكن تحديد الأوزان بمقارنتها بكتل عيارية معلومة باستخدام الموازين.

ب ـ مقاييس القوى dynamomètres: يستخدم في مقاييس القوى التشوُّه المرن الذي يخضع له جسم صلب، وهوتشوُّه تمكن معايرته؛ ليعطي القوى المطبقة، وذلك بفضل أوزان كتل معلومة. إذا فهم قيمة g في مسقط المعايرة بدقة مطلوب بالطبع، بيد أنه يكفي عادة حتى تعهد قيمة g بدقة مقبولة. ولدى خضوع مقياس القوى لقوة ما يحدث تشوه في المقياس يتناسب مع هذه القوة. ففي مقاييس القوى النابضية يتشوه النابض بعمل القوة المقيسة، فيمتط، أوينكمش بحسب تصميم المقياس، ويقاس مقدار ذلك على سلَّم مدرَّج، ويتناسب مقدار الامتطاط أوالانكماش مع القوة المقيسة.

تستخدم في مقياس القوى الصفيحي صفيحة من الفولاذ بشكل الحرف V تنزلق نهايتاها على قوس دائرة. وتقرأ القوة المطبقة على إحدى النهايتين.

وفي مقاييس القوى الحَلَقية تستخدم بترة وحيدة دائرية أوعلى هيئة بتر ناقص. وهنا يؤدي تطبيق القوة إلى تقلص في القطر الخاضع للتشوه، أوتباعد في القطر الآخر العمودي عليه، ومن ثم يمكن قراءة شدة القوة المطبقة على سلَّم مدرَّج ومعاير.

ج ـ قياس الضغط: إذا تطبيق قوة F على مكبس مساحته S يحتوي على سائل يولد ضغطاً P على سطح السائل، يعطى بالعلاقة. يسمى مقياس القوى من هذا النوع مقياس القوى الهيدرولي، وهويسمح بقياس قوى شدتها عالية جداً.

كما تسمح الإفادة من المفعول الكهرضغطي الذي تخضع له صفيحة من الكوارتز بقياس القوة المؤثرة فيها عن طريق قياس الشحنة أوفرق الكمون (الجهد الكهربائي) المتولِّد بين طرفيها.

قياس المزدوجات

مقياس الفتل

يتألف مقياس الفتل إما من سلك فتل أومن نوابض لولبية وذلك بحسب مقدار العزم المراد قياسه. وبالمثل يمكن تحقيق ذلك بوسائل ضوئية أوميكانيكية أوكهربائية عديدة. إحدى هذه الطرق. ويستخدم فيها مقياس تشوهjauge de contrainte مؤلف من أسلاك مقاومة. يُلصق مقياس التشوه هذا بحيث يصنع زاوية مقدارها 45 ْ مع محور العمود؛ وبحيث يشكل جسر وطسطن غير حساس بتغيرات درجات الحرارة أوبالتشوهات الطولانية. ويوصل منبع التغذية وجهاز القراءة بالنقاط التي تخضع للانزلاق.

مكابح الامتصاص

تكبح هنا حركة المحرك المطلوب قياس عزمه بالاحتكاك الصلب، أوبالاحتكاك السائل، أوبتيارات فوكو، وتقاس القوة المطبقة على بعدٍ محدَّد والتي تؤدي إلى إيقاف المحرك عن الدوران. ويكون عزم المحرك مساوياً جداء هذه القوة ببعدها عن محور الدوران.

طريقة متوازي الأضلاع

تستخدم في حساب محصلة قوتين فقط في جميع مرة. في هذه الطريقة يُستخدم المتجهان اللذان يمثلان القوتين المتلاقيتين لرسم متوازي أضلاع. افترض مثلاً حتى بين القوتين زاوية. باختيار مقياس رسم مناسب نرسم هاتين القوتين كمتجهين يلتقي ذيلاهما في نقطة واحدة. هذه النقطة تمثل الجسم الذي تعمل عليه القوتان. بعد ذلك ارسم متوازي الأضلاع بحيث يشكل المتجهان ضلعين فيه. ثم ارسم قطر المتوازي من نقطة تلاقي المتجهين إلى ركن متوازي الأضلاع اللقاء، واجعل من القطر متجهًا يؤشر سهمه بعيدًا عن الجسم.قد يكون هذا المتجه ممثلاً للمحصلة. لتعيين مقدار المحصلة

المضلع

تستخدم لتعيين المحصلة عندما تعمل أكثر من قوتين على الجسم. في هذه الكيفية تستخدم متجهات تمثل القوى المتلاقية لعمل مضلع، وترسم هذه المتجهات بالتتابع جميع بعد الآخر، بحيثقد يكون رأس جميع متجه متصلاً بذيل المتجه الذي يليه، إلى غير ذلك. ثم يرسم متجه حديث يصل رأس المتجه الأخير مع ذيل المتجه الأول. ويكون المتجه الجديد في هذه الحالة ـ والذي يكمل المضلع ـ هوالذي يمثل المحصلة. ويجب حتىقد يكون اتجاهه بحيث يشير من ذيل المتجه الأول إلى رأس المتجه الأخير.

الكيفية التحليلية

تستخدم أيضًا لإيجاد المحصلة عندما تؤثر أكثر من قوتين على الجسم. هذه الكيفية تقوم على حقيقة حتى جميع متجه يمكن حتى يُمثل بمحصلة متجهين صغيرين متعامدين. عملى سبيل المثال يمكن تمثيل متجه مقدارهخمسة نيوتن بمتجهين متعامدين مقدارهما أربعة نيوتن وثلاثة نيوتن. في هذا المثالقد يكون المتجه الذي مقدارهخمسة نيوتن وترًا للمثلث قائم الزاوية الذي يشكل المتجهان أربعة نيوتن و3 نيوتن ضلعيه الآخرين. لذلك فإن مربع المتجهخمسة نيوتن، وهو25 يساوي مجموع مربعي المتجهين الآخرين (9 + 16).

وفي الكيفية التحليلية تمثل جميع قوة متلاقية أولاً كمتجه، ويُحلّل جميع من المتجهات فيما عدا واحد فقط إلى متجهين صغيرين متعامدين. ويرسم متجه من جميع زوجين متعامدين موازيًا للمتجه الذي لم يُحلّل. بعد ذلك تضاف المتجهات التي تشير إلى اتجاهات متوحدة أومتعاكسة. هذه الإضافة ستؤدي في النهاية إلى زوجين من المتجهات متعامدين. ويمكن حساب محصلة هذين الزوجين حينئذ بطريقة متوازي الأضلاع. وهذه المحصلة هي محصلة القوى الأصلية المتلاقية.

عزم القوى

يسمى عزم القوى moment حول نقطة كما في الشكل (2) الجداء المتجه لهذه القوى ببعد النقطة عن حامل القوة. كما يعرّف عزم مزدوجة بأسلوب مماثل بالنسبة لأي نقطة. ويمثل العزم بمتجهة. ويمكن رد مجموعة قوى إلى قوة وحيدة مكافئة وإلى مزدوجة لها عزم يسمى عزماً محصّلاً moment résultant.

القوى الأساسية

يعتبر الفيزيائيون حتى جميع القوى في الكون أشكال لأربع قوى. هذه القوى الأربع مرتبة من الأضعف إلى الأقوى هي: 1- الجاذبية 2- القوة النووية الضعيفة. 3- القوة الكهرومغنطيسية 4- القوة النووية القوية. وتسمى القوة النووية الضعيفة التفاعل الضعيف والقوة النووية القوية التفاعل القوي.

وتؤثر قوة الجاذبية على مسافات طويلة في الفضاء. وهي أكثر تأثيرًا على الكتل الكبيرة. على سبيل المثال تثبت جاذبية الشمس الأرض في مدارها. وتعمل القوة الكهرومغنطيسية على مسافة أقل بكثير من مدى قوة الجاذبية. وهي تحفظ الجزيئات متماسكة. وتؤثر القوى النووية الضعيفة والقوية داخل نويات الذرات.

قانون التحريك الأساسي

ينص قانون التحريك الأساسي في الميكانيك على أنه إذا خضع جسم كتلته m إلى قوة فإنه يكتسب تسارعاً ويكون. تقاس F في الجملة الدولية بالنيوتن، ويرمز له بـ N؛ وهوبالتعريف القوة التي إذا أثرت في كتلة مقدارها كيلوغرام واحد سببت تسارعاً قدره 1م/ثا2، ولا توجد تسمية لعزم المزدوجة، وإنما تقاس بواحدة هي جداء واحدة طول بواحدة قوة أي بواحدة نيوتن ـ متر.

==

المصادر

الموسوعة المعهدية الكاملة

أنظر أيضا

• central force
• Modified Newtonian dynamics

مراجع

ببليوگرافيا

• Corbell, H.C. (1994). Classical Mechanics p 28,. New York: Dover publications. ISBN . Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
• Cutnell, John d. (2004). Physics, Sixth Edition. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons Inc. ISBN  Check |isbn= value: length (help). Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
• Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M. (1963). Lectures on Physics, Vol 1. Addison-Wesley. ISBN .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Halliday, David (2001). Physics v. 1. New York: John Wiley & Sons. ISBN . Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
• Parker, Sybil (1993). Encyclopedia of Physics, p 443,. Ohio: McGraw-Hill. ISBN .
• Sears F., Zemansky M. & Young H. (1982). University Physics. Reading, MA: Addison-Wesley. ISBN .
• Serway, Raymond A. (2003). Physics for Scientists and Engineers. Philadelphia: Saunders College Publishing. ISBN .
• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics (5th ed.). W. H. Freeman. ISBN .
• Verma, H.C. (2004). Concepts of Physics Vol 1 (2004 Reprint ed.). Bharti Bhavan. ISBN .

وصلات خارجية

• Video lecture on Newton's three laws by Walter Lewin from MIT OpenCourseWare
• A Java simulation on vector addition of forces
• Force Unit Converter