Fislab
الرئيسية / الدروس / الحركة الدائرية (القسم 1)

🎡 الحركة الدائرية (القسم 1)

Circular Motion (Part 1): Coordinates, Angular Displacement, Angular and Linear Velocity
⏱️ 70 دقيقة 📂 الحركة الدائرية والدورانية 🎯 مستوى متوسط

🎯 نواتج التعلم

🎯 Learning Outcomes

بعد دراسة هذا الدرس ستكون قادرًا على أن:

After this lesson you will be able to:

  1. تحدد موضع جسم بالإحداثيات القطبية \((r,\theta)\) والديكارتية \((x,y)\) وتحوّل بينهما.Locate a body by its polar \((r,\theta)\) and Cartesian \((x,y)\) coordinates and convert between them.
  2. تعرّف الإزاحة الزاوية \(\theta=s/r\) وتحوّل بين الدرجات والراديان والدورات.Define the angular displacement \(\theta=s/r\) and convert between degrees, radians and revolutions.
  3. تحدد إشارة الإزاحة الزاوية واتجاه الدوران بقاعدة اليد اليمنى.Decide the sign of the angular displacement and the direction of rotation using the right-hand rule.
  4. تحسب السرعة الزاوية \(\omega=\Delta\theta/\Delta t=2\pi/T=2\pi f\) والتردد والزمن الدوري.Calculate the angular velocity \(\omega=\Delta\theta/\Delta t=2\pi/T=2\pi f\), the frequency and the period.
  5. تربط السرعة الخطية بالسرعة الزاوية \(v=r\omega\) وتحدد اتجاهها.Relate the linear speed to the angular velocity \(v=r\omega\) and state its direction.

📍 الإحداثيات القطبية والديكارتية

📍 Polar and Cartesian Coordinates

لتحديد موضع جسم في مستوى نحتاج عددين. ولدراسة الحركة الدائرية نستخدم غالبًا الإحداثيات القطبية لأنها تناسب الدوران حول نقطة.

To locate a body in a plane we need two numbers. To study circular motion we often use polar coordinates, which suit rotation about a point.

الإحداثيات الديكارتية

Cartesian coordinates

نحدد النقطة \(P\) برقمين: \(x\) المسافة على طول المحور الأفقي، و\(y\) المسافة على طول المحور الرأسي.

The point \(P\) is given by two numbers: \(x\), the distance along the horizontal axis, and \(y\), the distance along the vertical axis.

Cartesian coordinates of a point

الإحداثيات الديكارتية \((x,y)\) لنقطة \(P\).

The Cartesian coordinates \((x,y)\) of a point \(P\).

الإحداثيات القطبية

Polar coordinates

📘 الإحداثيات القطبية

📘 Polar coordinates

نستعمل الزوج \((r,\theta)\) حيث:

We use the pair \((r,\theta)\) where:

polar coordinates of a point

الإحداثيات القطبية \((r,\theta)\) للنقطة \(P\).

The polar coordinates \((r,\theta)\) of the point \(P\).

التحويل بين النوعين

Converting between the two systems

right triangle linking polar and Cartesian coordinates

المثلث القائم الذي يربط \(x,y\) بـ \(r,\theta\) (تُكتب الزاوية هنا \(\varphi\)، وهي نفسها \(\theta\)).

The right triangle linking \(x,y\) with \(r,\theta\) (the angle is written \(\varphi\) here and is the same as \(\theta\)).

📘 قوانين التحويل

📘 Conversion formulas

من القطبية إلى الديكارتية (المعلوم \(r,\theta\)):

Polar to Cartesian (given \(r,\theta\)):

\[x=r\cos\theta\qquad y=r\sin\theta\]

من الديكارتية إلى القطبية (المعلوم \(x,y\)):

Cartesian to polar (given \(x,y\)):

\[r=\sqrt{x^2+y^2}\qquad \theta=\tan^{-1}\!\left(\dfrac{y}{x}\right)\]

💡 شرح إضافي: انتبه للربع عند حساب الزاوية

💡 Extra explanation: watch the quadrant when finding the angle

الآلة الحاسبة تعطي \(\tan^{-1}(y/x)\) بين \(-90^\circ\) و\(90^\circ\) فقط، فلا تعرف في أي ربع تقع النقطة. لذلك:

The calculator gives \(\tan^{-1}(y/x)\) only between \(-90^\circ\) and \(90^\circ\), so it does not know in which quadrant the point lies. Therefore:

أسهل طريقة أن ترسم النقطة أولًا وتحسب الزاوية المرجعية \(\tan^{-1}|y/x|\) ثم تجد \(\theta\) من الرسم.

The easiest way is to sketch the point first, find the reference angle \(\tan^{-1}|y/x|\) and then get \(\theta\) from the sketch.

❓ مثال 1Example 1

الإحداثيات الديكارتية لجسم \((-3,\ 10)\). أوجد إحداثياته القطبية.

The Cartesian coordinates of a body are \((-3,\ 10)\). Find its polar coordinates.

الحل
\(r=\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{(-3)^2+10^2}=\sqrt{109}\approx10.44\)
النقطة في الربع الثاني (\(x\lt 0,y\gt 0\)): الزاوية المرجعية \(\tan^{-1}(10/3)\approx73.3^\circ\).
\(\theta=180^\circ-73.3^\circ\approx106.7^\circ\)
✅ \((r,\theta)\approx(10.44,\ 106.7^\circ)\)
Solution
\(r=\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{(-3)^2+10^2}=\sqrt{109}\approx10.44\)
The point is in the second quadrant (\(x\lt 0,y\gt 0\)): the reference angle is \(\tan^{-1}(10/3)\approx73.3^\circ\).
\(\theta=180^\circ-73.3^\circ\approx106.7^\circ\)
✅ \((r,\theta)\approx(10.44,\ 106.7^\circ)\)
point in the second quadrant

النقطة \(P(-3,10)\) في الربع الثاني، و\(\theta\) تُقاس من المحور \(x\) الموجب.

The point \(P(-3,10)\) in the second quadrant; \(\theta\) is measured from the positive \(x\)-axis.

❓ مثال 2Example 2

الإحداثيات القطبية لجسم \((13,\ 22.6^\circ)\). أوجد إحداثياته الديكارتية.

The polar coordinates of a body are \((13,\ 22.6^\circ)\). Find its Cartesian coordinates.

الحل
\(x=r\cos\theta=13\cos22.6^\circ\approx13\times0.923=12\)
\(y=r\sin\theta=13\sin22.6^\circ\approx13\times0.385=5\)
✅ \((x,y)=(12,\ 5)\)
Solution
\(x=r\cos\theta=13\cos22.6^\circ\approx13\times0.923=12\)
\(y=r\sin\theta=13\sin22.6^\circ\approx13\times0.385=5\)
✅ \((x,y)=(12,\ 5)\)
the right triangle of the example

المثلث القائم للمثال: الوتر \(r=13\) والزاوية \(22.6^\circ\) ومنه \(x\) و\(y\).

The right triangle of the example: hypotenuse \(r=13\) and angle \(22.6^\circ\), giving \(x\) and \(y\).

🧪 تجربة 1: التحويل بين الإحداثيات القطبية والديكارتية

🧪 Experiment 1: Converting between polar and Cartesian coordinates

حرّك الشريطين لتغيير الإحداثيات القطبية للنقطة \(P\): البعد \(r\) والزاوية \(\theta\) (تُقاس من المحور \(x\) الموجب عكس عقارب الساعة). احسب بنفسك الإحداثيين الديكارتيين \(x=r\cos\theta\) و\(y=r\sin\theta\) ثم تحقق، وراقب الربع الذي تقع فيه النقطة وإشارتي \(x\) و\(y\).

Move the sliders to change the polar coordinates of the point \(P\): the distance \(r\) and the angle \(\theta\) (measured from the positive \(x\)-axis, counter-clockwise). Calculate the Cartesian coordinates \(x=r\cos\theta\) and \(y=r\sin\theta\) yourself and check, and watch the quadrant of the point and the signs of \(x\) and \(y\).

5
40
\(r\)\(r\)—
\(\theta\) (°)\(\theta\) (°)—
الربعQuadrant—

⭐ 1

ما معنى \(\theta\) في الإحداثيات القطبية؟

What does \(\theta\) mean in polar coordinates?

Aبُعد الجسم عن المحور \(y\)the distance of the body from the \(y\)-axis
Bالزاوية من المحور القطبي \(x\) الموجب بدوران عكس عقارب الساعةthe angle from the positive polar axis \(x\), counter-clockwise
Cالزاوية من المحور \(y\) مع عقارب الساعةthe angle from the \(y\)-axis, clockwise
Dبُعد الجسم عن القطبthe distance of the body from the pole
الحل
\(\theta\) زاوية تُقاس من المحور القطبي عكس عقارب الساعة، و\(r\) هو البعد.
✅ الزاوية من المحور القطبي.
Solution
\(\theta\) is an angle measured from the polar axis counter-clockwise and \(r\) is the distance.
✅ the angle from the polar axis.
⭐ 2

النقطة \((x,y)=(3,4)\). قيمة \(r\) لها:

For the point \((x,y)=(3,4)\), the value of \(r\) is:

A\(7\)\(7\)
B\(1\)\(1\)
C\(12\)\(12\)
D\(5\)\(5\)
الحل
\(r=\sqrt{3^2+4^2}=5\)
✅ \(r=5\)
Solution
\(r=\sqrt{3^2+4^2}=5\)
✅ \(r=5\)
⭐ 3

نقطة \(r=10\) و\(\theta=60^\circ\). قيمة \(x\) لها:

A point has \(r=10\) and \(\theta=60^\circ\). Its \(x\) is:

A\(5\)\(5\)
B\(8.66\)\(8.66\)
C\(10\)\(10\)
D\(6\)\(6\)
الحل
\(x=r\cos\theta=10\cos60^\circ=5\)
✅ \(x=5\)
Solution
\(x=r\cos\theta=10\cos60^\circ=5\)
✅ \(x=5\)
⭐ 4

النقطة \((x,y)=(-2,-2)\) تقع في الربع الثالث، وزاويتها القطبية:

The point \((x,y)=(-2,-2)\) lies in the third quadrant and its polar angle is:

A\(45^\circ\)\(45^\circ\)
B\(135^\circ\)\(135^\circ\)
C\(225^\circ\)\(225^\circ\)
D\(315^\circ\)\(315^\circ\)
الحل
الزاوية المرجعية \(\tan^{-1}(2/2)=45^\circ\) والنقطة في الربع الثالث.
\(\theta=180^\circ+45^\circ=225^\circ\)
✅ \(225^\circ\)
Solution
The reference angle is \(\tan^{-1}(2/2)=45^\circ\) and the point is in the third quadrant.
\(\theta=180^\circ+45^\circ=225^\circ\)
✅ \(225^\circ\)

📐 الإزاحة الزاوية والراديان

📐 Angular Displacement and the Radian

📘 الإزاحة الزاوية

📘 Angular displacement

إذا قطع جسم قوسًا طوله \(s\) على محيط دائرة نصف قطرها \(r\) فإن الزاوية التي تقابل القوس تسمى الإزاحة الزاوية \(\theta\):

If a body covers an arc of length \(s\) on the circumference of a circle of radius \(r\), the angle subtended by the arc is the angular displacement \(\theta\):

\[\theta=\dfrac{s}{r}\qquad\Longleftrightarrow\qquad s=r\theta\]

وحدتها الراديان (rad). الراديان الواحد هو الزاوية التي يقابلها قوس طوله يساوي نصف القطر.

Its unit is the radian (rad). One radian is the angle subtended by an arc whose length equals the radius.

one radian

1 راديان \(\approx57.3^\circ\): القوس الأحمر طوله يساوي نصف القطر.

1 radian \(\approx57.3^\circ\): the red arc has a length equal to the radius.

💡 شرح إضافي: لماذا الراديان بلا وحدة حقيقية؟

💡 Extra explanation: why is the radian really unit-less?

\(\theta=s/r\) نسبة بين طولين فهي عدد بلا بُعد، ولذلك نكتب «rad» للتوضيح فقط ويمكن حذفها في الحسابات (مثل \(v=r\omega\) تعطي m/s وليس m·rad/s). الدورة الكاملة تقابل محيط الدائرة \(s=2\pi r\) أي \(\theta=2\pi\) rad.

\(\theta=s/r\) is a ratio of two lengths, so it is a dimensionless number; we write “rad” only for clarity and it can be dropped in calculations (for example \(v=r\omega\) gives m/s, not m·rad/s). A full turn corresponds to the circumference \(s=2\pi r\), i.e. \(\theta=2\pi\) rad.

إشارة الإزاحة الزاوية

The sign of the angular displacement

الإزاحة الزاوية كمية متجهة: إذا كان الدوران عكس عقارب الساعة فإشارتها موجبة، وإذا كان مع عقارب الساعة فإشارتها سالبة.

The angular displacement is a vector quantity: if the rotation is counter-clockwise its sign is positive, and if it is clockwise its sign is negative.

counter-clockwise rotationclockwise rotation

يمين: \(\theta\gt 0\) دوران عكس عقارب الساعة. يسار: \(\theta\lt 0\) دوران مع عقارب الساعة.

Left: \(\theta\gt 0\), counter-clockwise rotation. Right: \(\theta\lt 0\), clockwise rotation.

التحويل بين الدرجات والدورات والراديان

Converting between degrees, revolutions and radians

منFromإلى الراديانTo radiansمثالExample
دورات (rev)revolutions (rev)\(2\pi\ \mathrm{rad}=1\ \mathrm{rev}\)\(2\pi\ \mathrm{rad}=1\ \mathrm{rev}\)\(2.25\ \mathrm{rev}=2.25\times2\pi\approx14.14\ \mathrm{rad}\)\(2.25\ \mathrm{rev}=2.25\times2\pi\approx14.14\ \mathrm{rad}\)
درجات (°)degrees (°)\(\pi\ \mathrm{rad}=180^\circ\)\(\pi\ \mathrm{rad}=180^\circ\)\(120^\circ=120\times\dfrac{\pi}{180}=\dfrac{2\pi}{3}\approx2.09\ \mathrm{rad}\)\(120^\circ=120\times\dfrac{\pi}{180}=\dfrac{2\pi}{3}\approx2.09\ \mathrm{rad}\)
❓ مثال 3Example 3

تحرك جسم حركة دائرية فقطع إزاحة زاوية \(2.25\) دورة. كم تعادل بالراديان؟ وكم تعادل \(120^\circ\) بالراديان؟

A body in circular motion made an angular displacement of \(2.25\) revolutions. How many radians is this? And how many radians is \(120^\circ\)?

الحل
\(\theta=2.25\times2\pi=4.5\pi\approx14.14\ \mathrm{rad}\)
\(\theta=120\times\dfrac{\pi}{180}=\dfrac{2\pi}{3}\approx2.09\ \mathrm{rad}\)
✅ \(14.14\ \mathrm{rad}\) و\(2.09\ \mathrm{rad}\)
Solution
\(\theta=2.25\times2\pi=4.5\pi\approx14.14\ \mathrm{rad}\)
\(\theta=120\times\dfrac{\pi}{180}=\dfrac{2\pi}{3}\approx2.09\ \mathrm{rad}\)
✅ \(14.14\ \mathrm{rad}\) and \(2.09\ \mathrm{rad}\)
❓ مثال 4Example 4

جسم يتحرك على دائرة نصف قطرها \(2.0\ \mathrm{m}\) فقطع إزاحة زاوية \(1.5\ \mathrm{rad}\). ما طول القوس الذي قطعه؟

A body moves on a circle of radius \(2.0\ \mathrm{m}\) through an angular displacement of \(1.5\ \mathrm{rad}\). What is the length of the arc it covered?

الحل
\(s=r\theta=2.0\times1.5=3.0\ \mathrm{m}\)
✅ \(s=3.0\ \mathrm{m}\)
Solution
\(s=r\theta=2.0\times1.5=3.0\ \mathrm{m}\)
✅ \(s=3.0\ \mathrm{m}\)

🧪 تجربة 2: الإزاحة الزاوية والراديان وطول القوس

🧪 Experiment 2: Angular displacement, the radian and the arc length

غيّر نصف القطر والزاوية. القوس الأحمر هو المسافة \(s\) التي يقطعها الجسم على المحيط، والعلاقة \(\theta=s/r\). لاحظ كيف تُكتب الزاوية نفسها بالدرجات والراديان والدورات، ثم احسب طول القوس \(s=r\theta\) وتحقق.

Change the radius and the angle. The red arc is the distance \(s\) the body covers along the circumference, and \(\theta=s/r\). Notice how the same angle is written in degrees, radians and revolutions, then calculate the arc length \(s=r\theta\) and check.

2
90
\(\theta\) (°)\(\theta\) (°)—
\(\theta\) (rad)\(\theta\) (rad)—
عدد الدوراتRevolutions—

⭐ 5

\(180^\circ\) تعادل بالراديان:

\(180^\circ\) in radians is:

A\(2\pi\)\(2\pi\)
B\(\pi/2\)\(\pi/2\)
C\(\pi\)\(\pi\)
D\(180\)\(180\)
الحل
\(\pi\ \mathrm{rad}=180^\circ\)
✅ \(\pi\ \mathrm{rad}\)
Solution
\(\pi\ \mathrm{rad}=180^\circ\)
✅ \(\pi\ \mathrm{rad}\)
⭐ 6

\(1.5\) دورة تعادل بالراديان:

\(1.5\) revolutions in radians is:

A\(3\pi\)\(3\pi\)
B\(1.5\pi\)\(1.5\pi\)
C\(6\pi\)\(6\pi\)
D\(\pi\)\(\pi\)
الحل
\(1.5\times2\pi=3\pi\ \mathrm{rad}\)
✅ \(3\pi\ \mathrm{rad}\)
Solution
\(1.5\times2\pi=3\pi\ \mathrm{rad}\)
✅ \(3\pi\ \mathrm{rad}\)
⭐ 7

أي العبارات صحيحة لإشارة الإزاحة الزاوية؟

Which statement about the sign of the angular displacement is correct?

Aموجبة مع عقارب الساعة وسالبة عكسهاpositive clockwise and negative counter-clockwise
Bموجبة دائمًاalways positive
Cسالبة دائمًاalways negative
Dموجبة عكس عقارب الساعة وسالبة مع عقارب الساعةpositive counter-clockwise and negative clockwise
الحل
الاتفاق: الدوران عكس عقارب الساعة موجب.
✅ موجبة عكس عقارب الساعة.
Solution
The convention: counter-clockwise rotation is positive.
✅ positive counter-clockwise.

🔄 السرعة الزاوية والتردد والزمن الدوري

🔄 Angular Velocity, Frequency and Period

📘 السرعة الزاوية

📘 Angular velocity

السرعة الزاوية هي معدل تغير الإزاحة الزاوية بالنسبة للزمن:

The angular velocity is the rate of change of the angular displacement with time:

\[\omega=\dfrac{\theta_2-\theta_1}{t_2-t_1}=\dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}\qquad(\mathrm{rad/s})\]

وفي الحركة الدائرية المنتظمة تكون \(\omega\) ثابتة. وإذا تغيّرت مع الزمن فالحركة غير منتظمة (القسم الثاني).

In uniform circular motion \(\omega\) is constant. If it changes with time the motion is non-uniform (Part 2).

الزمن الدوري والتردد

The period and the frequency

📘 الزمن الدوري والتردد

📘 Period and frequency

\(T\): الزمن الدوري وهو زمن الدورة الواحدة (s)، و\(f\): التردد وهو عدد الدورات في الثانية (Hz).

\(T\): the period, the time of one revolution (s), and \(f\): the frequency, the number of revolutions per second (Hz).

\[f=\dfrac{1}{T}\]

\[\omega=\dfrac{\theta_2-\theta_1}{t_2-t_1}=\dfrac{2\pi}{T}=2\pi f\]

💡 شرح إضافي: من أين جاءت \(\omega=2\pi/T\)؟

💡 Extra explanation: where does \(\omega=2\pi/T\) come from?

في دورة كاملة تكون الإزاحة الزاوية \(\Delta\theta=2\pi\) والزمن \(\Delta t=T\)، فيصبح \(\omega=\Delta\theta/\Delta t=2\pi/T\). وبما أن \(f=1/T\) فإن \(\omega=2\pi f\). ولا تخلط بين التردد \(f\) (Hz) والسرعة الزاوية \(\omega\) (rad/s)؛ ففي بعض الكتب تُسمّى \(\omega\) «التردد الزاوي» وتُسمّى \(f\) «التردد». ومن الوحدات الشائعة أيضًا: \(1\ \mathrm{rpm}=\dfrac{2\pi}{60}\ \mathrm{rad/s}\).

In one full turn the angular displacement is \(\Delta\theta=2\pi\) and the time is \(\Delta t=T\), so \(\omega=\Delta\theta/\Delta t=2\pi/T\). Since \(f=1/T\), \(\omega=2\pi f\). Do not mix up the frequency \(f\) (Hz) with the angular velocity \(\omega\) (rad/s); some books call \(\omega\) the “angular frequency” and \(f\) the “frequency”. Another common unit: \(1\ \mathrm{rpm}=\dfrac{2\pi}{60}\ \mathrm{rad/s}\).

اتجاه السرعة الزاوية (قاعدة اليد اليمنى)

The direction of the angular velocity (right-hand rule)

السرعة الزاوية متجه يتعامد مع مستوى الدائرة. ولتحديد اتجاهه نلفّ أصابع اليد اليمنى في اتجاه الدوران فيشير الإبهام إلى اتجاه \(\vec\omega\).

The angular velocity is a vector perpendicular to the plane of the circle. To find its direction curl the fingers of your right hand in the direction of the rotation and the thumb points along \(\vec\omega\).

omega for counter-clockwise rotationomega for clockwise rotation

عكس عقارب الساعة: \(\vec\omega\) إلى الأعلى (خارج الصفحة، موجبة). مع عقارب الساعة: \(\vec\omega\) إلى الأسفل (داخل الصفحة، سالبة).

Counter-clockwise: \(\vec\omega\) points up (out of the page, positive). Clockwise: \(\vec\omega\) points down (into the page, negative).

🧪 تجربة 3: قياس السرعة الزاوية والتردد والزمن الدوري

🧪 Experiment 3: Measuring the angular velocity, the frequency and the period

جسم يتحرك على دائرة بسرعة زاوية ثابتة مجهولة (حركة دائرية منتظمة). اضغط «ابدأ» فتُسجَّل الإزاحة الزاوية الابتدائية \(\theta_1\) والزمن \(t_1\)، ثم «إيقاف» فتُسجَّل \(\theta_2\) و\(t_2\). احسب \(\omega=\dfrac{\theta_2-\theta_1}{t_2-t_1}\) ثم \(f=\dfrac{\omega}{2\pi}\) و\(T=\dfrac1f\) والسرعة الخطية \(v=\omega r\) وتحقق. السهم الأزرق هو السرعة الخطية: مماسّ دائمًا وعمودي على نصف القطر.

A body moves on a circle with a constant unknown angular velocity (uniform circular motion). Press “Start” to record the initial angular displacement \(\theta_1\) and the time \(t_1\), then “Stop” to record \(\theta_2\) and \(t_2\). Calculate \(\omega=\dfrac{\theta_2-\theta_1}{t_2-t_1}\) then \(f=\dfrac{\omega}{2\pi}\), \(T=\dfrac1f\) and the linear speed \(v=\omega r\) and check. The blue arrow is the linear velocity: always tangent and perpendicular to the radius.

1
\(\theta_1\) (rad)\(\theta_1\) (rad)—
\(t_1\) (s)\(t_1\) (s)—
\(\theta_2\) (rad)\(\theta_2\) (rad)—
\(t_2\) (s)\(t_2\) (s)—

❓ مثال 5Example 5

يتحرك جسم حركة دائرية منتظمة بحيث يقطع ثلاث دورات ونصفًا عكس عقارب الساعة كل \(2\ \mathrm{s}\). احسب سرعته الزاوية.

A body moves in uniform circular motion making three and a half revolutions counter-clockwise every \(2\ \mathrm{s}\). Find its angular velocity.

الحل
\(\Delta\theta=3.5\times2\pi=7\pi\ \mathrm{rad}\)
\(\omega=\dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}=\dfrac{7\pi}{2}=3.5\pi\approx11\ \mathrm{rad/s}\)
✅ \(\omega=3.5\pi\ \mathrm{rad/s}\approx11\ \mathrm{rad/s}\)
Solution
\(\Delta\theta=3.5\times2\pi=7\pi\ \mathrm{rad}\)
\(\omega=\dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}=\dfrac{7\pi}{2}=3.5\pi\approx11\ \mathrm{rad/s}\)
✅ \(\omega=3.5\pi\ \mathrm{rad/s}\approx11\ \mathrm{rad/s}\)
a fan

مروحة تدور بسرعة زاوية ثابتة.

A fan rotating with a constant angular velocity.

❓ مثال 6Example 6

تدور مروحة بسرعة زاوية \(60\pi\ \mathrm{rad/s}\). احسب تردد المروحة وزمنها الدوري.

A fan rotates with an angular velocity of \(60\pi\ \mathrm{rad/s}\). Find its frequency and its period.

الحل
\(f=\dfrac{\omega}{2\pi}=\dfrac{60\pi}{2\pi}=30\ \mathrm{Hz}\)
\(T=\dfrac1f=\dfrac1{30}\approx0.033\ \mathrm{s}\)
✅ \(f=30\ \mathrm{Hz}\)، \(T\approx0.033\ \mathrm{s}\)
Solution
\(f=\dfrac{\omega}{2\pi}=\dfrac{60\pi}{2\pi}=30\ \mathrm{Hz}\)
\(T=\dfrac1f=\dfrac1{30}\approx0.033\ \mathrm{s}\)
✅ \(f=30\ \mathrm{Hz}\), \(T\approx0.033\ \mathrm{s}\)
⭐ 8

زمن دورة جسم \(T=0.5\ \mathrm{s}\). سرعته الزاوية:

A body has a period \(T=0.5\ \mathrm{s}\). Its angular velocity is:

A\(\pi\ \mathrm{rad/s}\)\(\pi\ \mathrm{rad/s}\)
B\(4\pi\ \mathrm{rad/s}\)\(4\pi\ \mathrm{rad/s}\)
C\(2\pi\ \mathrm{rad/s}\)\(2\pi\ \mathrm{rad/s}\)
D\(0.5\pi\ \mathrm{rad/s}\)\(0.5\pi\ \mathrm{rad/s}\)
الحل
\(\omega=\dfrac{2\pi}{T}=\dfrac{2\pi}{0.5}=4\pi\ \mathrm{rad/s}\)
✅ \(4\pi\ \mathrm{rad/s}\)
Solution
\(\omega=\dfrac{2\pi}{T}=\dfrac{2\pi}{0.5}=4\pi\ \mathrm{rad/s}\)
✅ \(4\pi\ \mathrm{rad/s}\)
⭐ 9

زمن الدورة \(T=0.02\ \mathrm{s}\). التردد:

The period is \(T=0.02\ \mathrm{s}\). The frequency is:

A\(0.02\ \mathrm{Hz}\)\(0.02\ \mathrm{Hz}\)
B\(50\ \mathrm{Hz}\)\(50\ \mathrm{Hz}\)
C\(5\ \mathrm{Hz}\)\(5\ \mathrm{Hz}\)
D\(500\ \mathrm{Hz}\)\(500\ \mathrm{Hz}\)
الحل
\(f=\dfrac1T=\dfrac1{0.02}=50\ \mathrm{Hz}\)
✅ \(50\ \mathrm{Hz}\)
Solution
\(f=\dfrac1T=\dfrac1{0.02}=50\ \mathrm{Hz}\)
✅ \(50\ \mathrm{Hz}\)
⭐ 10

إذا كان جسم يدور \(5\) دورات كل \(2\ \mathrm{s}\) فإن ترددَه:

If a body makes \(5\) revolutions every \(2\ \mathrm{s}\), its frequency is:

A\(10\ \mathrm{Hz}\)\(10\ \mathrm{Hz}\)
B\(0.4\ \mathrm{Hz}\)\(0.4\ \mathrm{Hz}\)
C\(5\ \mathrm{Hz}\)\(5\ \mathrm{Hz}\)
D\(2.5\ \mathrm{Hz}\)\(2.5\ \mathrm{Hz}\)
الحل
\(f=\dfrac{5}{2}=2.5\ \mathrm{Hz}\)
✅ \(2.5\ \mathrm{Hz}\)
Solution
\(f=\dfrac{5}{2}=2.5\ \mathrm{Hz}\)
✅ \(2.5\ \mathrm{Hz}\)

🏹 السرعة الخطية

🏹 Linear Velocity

السرعة الخطية \(\vec v\) لجسم يدور هي سرعته على المحيط، ويكون متجهها مماسًّا للدائرة دائمًا ويشير إلى اتجاه الحركة (ينطبق على متجه الوحدة المماسي \(\hat t\)). ولذلك يكون متجه السرعة عموديًّا على متجه الموضع القطري:

The linear velocity \(\vec v\) of a rotating body is its velocity along the circumference. Its vector is always tangent to the circle and points along the motion (it coincides with the tangent unit vector \(\hat t\)). Hence the velocity is perpendicular to the radial position vector:

\[\vec r\cdot\vec v=0\]

position, velocity and unit vectors

متجه الموضع \(\vec r\) (نحو الخارج \(\hat r\)) ومتجه السرعة \(\vec v\) المماسي (\(\hat t\)).

The position vector \(\vec r\) (outward direction \(\hat r\)) and the tangent velocity \(\vec v\) (\(\hat t\)).

📘 العلاقة بين السرعة الخطية والزاوية

📘 Relation between linear and angular velocity

\[v=r\omega=\dfrac{2\pi r}{T}=2\pi rf\]

إذن في الحركة الدائرية المنتظمة يكون مقدار \(v\) ثابتًا لكن اتجاهه يتغير باستمرار، لذلك للجسم تسارع (مركزي) سندرسه في القسم الثاني.

So in uniform circular motion the magnitude of \(v\) is constant but its direction changes continuously, so the body has an acceleration (centripetal) which we study in Part 2.

💡 شرح إضافي: نقطتان على القرص نفسه

💡 Extra explanation: two points on the same disc

جميع نقاط جسم جاسئ يدور تتحرك بالسرعة الزاوية \(\omega\) نفسها (والتردد والزمن الدوري نفسهما) لأنها تدور الزاوية نفسها في الزمن نفسه، لكن السرعة الخطية \(v=r\omega\) تتناسب مع البعد عن المحور: النقطة الأبعد تقطع محيطًا أكبر في الزمن نفسه فتكون أسرع. مثال: نقطتان على بعدي \(0.1\ \mathrm{m}\) و\(0.3\ \mathrm{m}\) من المحور: \(\omega\) واحدة و\(v_2=3v_1\).

All points of a rotating rigid body have the same angular velocity \(\omega\) (and the same frequency and period) because they turn through the same angle in the same time, but the linear speed \(v=r\omega\) is proportional to the distance from the axis: the farther point covers a longer circumference in the same time so it is faster. Example: two points at \(0.1\ \mathrm{m}\) and \(0.3\ \mathrm{m}\) from the axis have the same \(\omega\) and \(v_2=3v_1\).

a bucket whirled in a horizontal circle

دلو يدور على دائرة أفقية: سرعته مماسية وعمودية على الحبل (نصف القطر).

A bucket whirled in a horizontal circle: its velocity is tangent and perpendicular to the rope (the radius).

❓ مثال 7Example 7

يتحرك جسم في مسار دائري منتظم نصف قطره \(100\ \mathrm{cm}\) وزمنه الدوري \(2\ \mathrm{s}\). احسب سرعته الخطية بوحدة \(\mathrm{m/s}\).

A body moves in a uniform circular path of radius \(100\ \mathrm{cm}\) with a period of \(2\ \mathrm{s}\). Find its linear speed in \(\mathrm{m/s}\).

الحل
نحوّل نصف القطر إلى متر: \(r=100\ \mathrm{cm}=1.0\ \mathrm{m}\).
\(v=\dfrac{2\pi r}{T}=\dfrac{2\pi\times1.0}{2}=\pi\approx3.14\ \mathrm{m/s}\)
✅ \(v=\pi\approx3.14\ \mathrm{m/s}\)
Solution
Convert the radius to metres: \(r=100\ \mathrm{cm}=1.0\ \mathrm{m}\).
\(v=\dfrac{2\pi r}{T}=\dfrac{2\pi\times1.0}{2}=\pi\approx3.14\ \mathrm{m/s}\)
✅ \(v=\pi\approx3.14\ \mathrm{m/s}\)
❓ مثال 8Example 8

تدور عجلة بمعدل \(300\) دورة في الدقيقة، ونصف قطرها \(0.40\ \mathrm{m}\). احسب \(\omega\) و\(f\) و\(T\) والسرعة الخطية لنقطة على حافتها.

A wheel turns at \(300\) revolutions per minute and has a radius of \(0.40\ \mathrm{m}\). Find \(\omega\), \(f\), \(T\) and the linear speed of a point on its rim.

الحل
\(f=\dfrac{300}{60}=5\ \mathrm{Hz}\ ,\quad T=\dfrac1f=0.20\ \mathrm{s}\)
\(\omega=2\pi f=2\pi\times5=10\pi\approx31.4\ \mathrm{rad/s}\)
\(v=r\omega=0.40\times10\pi=4\pi\approx12.6\ \mathrm{m/s}\)
✅ \(f=5\ \mathrm{Hz}\)، \(T=0.20\ \mathrm{s}\)، \(\omega\approx31.4\ \mathrm{rad/s}\)، \(v\approx12.6\ \mathrm{m/s}\)
Solution
\(f=\dfrac{300}{60}=5\ \mathrm{Hz}\ ,\quad T=\dfrac1f=0.20\ \mathrm{s}\)
\(\omega=2\pi f=2\pi\times5=10\pi\approx31.4\ \mathrm{rad/s}\)
\(v=r\omega=0.40\times10\pi=4\pi\approx12.6\ \mathrm{m/s}\)
✅ \(f=5\ \mathrm{Hz}\), \(T=0.20\ \mathrm{s}\), \(\omega\approx31.4\ \mathrm{rad/s}\), \(v\approx12.6\ \mathrm{m/s}\)
⭐ 11

اتجاه السرعة الخطية لجسم يدور على دائرة:

The direction of the linear velocity of a body on a circle is:

Aمماسّ للدائرة وعمودي على نصف القطرtangent to the circle and perpendicular to the radius
Bعلى امتداد نصف القطر نحو المركزalong the radius toward the centre
Cعلى امتداد نصف القطر بعيدًا عن المركزalong the radius away from the centre
Dعمودي على مستوى الدائرةperpendicular to the plane of the circle
الحل
\(\vec r\cdot\vec v=0\)
✅ مماسّ وعمودي على \(\vec r\).
Solution
\(\vec r\cdot\vec v=0\)
✅ tangent and perpendicular to \(\vec r\).
⭐ 12

جسم يدور بسرعة زاوية \(6\ \mathrm{rad/s}\) على دائرة نصف قطرها \(0.5\ \mathrm{m}\). سرعته الخطية:

A body rotates with an angular velocity of \(6\ \mathrm{rad/s}\) on a circle of radius \(0.5\ \mathrm{m}\). Its linear speed is:

A\(12\ \mathrm{m/s}\)\(12\ \mathrm{m/s}\)
B\(0.083\ \mathrm{m/s}\)\(0.083\ \mathrm{m/s}\)
C\(3\ \mathrm{m/s}\)\(3\ \mathrm{m/s}\)
D\(6\ \mathrm{m/s}\)\(6\ \mathrm{m/s}\)
الحل
\(v=r\omega=0.5\times6=3\ \mathrm{m/s}\)
✅ \(3\ \mathrm{m/s}\)
Solution
\(v=r\omega=0.5\times6=3\ \mathrm{m/s}\)
✅ \(3\ \mathrm{m/s}\)
⭐ 13

نقطتان على قرص يدور: الأولى على بعد \(0.1\ \mathrm{m}\) من المحور والثانية على بعد \(0.3\ \mathrm{m}\). أيهما صحيح؟

Two points on a rotating disc: the first at \(0.1\ \mathrm{m}\) from the axis and the second at \(0.3\ \mathrm{m}\). Which is correct?

Aالسرعتان الخطيتان متساويتانthe linear speeds are equal
Bالسرعة الزاوية للثانية أكبر ثلاث مراتthe angular velocity of the second is three times larger
Cالسرعة الزاوية متساوية والسرعة الخطية للثانية أكبر ثلاث مراتthe angular velocities are equal and the linear speed of the second is three times larger
Dالسرعة الخطية للأولى أكبرthe linear speed of the first is larger
الحل
\(\omega\) واحدة لكل النقاط، و\(v=r\omega\) فتتناسب مع \(r\).
✅ نفس \(\omega\) و\(v_2=3v_1\).
Solution
\(\omega\) is the same for all points and \(v=r\omega\) so it is proportional to \(r\).
✅ the same \(\omega\) and \(v_2=3v_1\).

📚 ملخص الدرس

📚 Lesson Summary

المفهومConceptالعلاقةRelation
قطبي ← ديكارتيPolar → Cartesian\(x=r\cos\theta\ ,\ y=r\sin\theta\)\(x=r\cos\theta\ ,\ y=r\sin\theta\)
ديكارتي ← قطبيCartesian → polar\(r=\sqrt{x^2+y^2}\ ,\ \theta=\tan^{-1}(y/x)\ (\text{check the quadrant})\)\(r=\sqrt{x^2+y^2}\ ,\ \theta=\tan^{-1}(y/x)\ (\text{check the quadrant})\)
الإزاحة الزاويةAngular displacement\(\theta=\dfrac{s}{r}\ ;\ \pi\ \mathrm{rad}=180^\circ\ ;\ 2\pi\ \mathrm{rad}=1\ \mathrm{rev}\)\(\theta=\dfrac{s}{r}\ ;\ \pi\ \mathrm{rad}=180^\circ\ ;\ 2\pi\ \mathrm{rad}=1\ \mathrm{rev}\)
السرعة الزاويةAngular velocity\(\omega=\dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}=\dfrac{2\pi}{T}=2\pi f\)\(\omega=\dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}=\dfrac{2\pi}{T}=2\pi f\)
التردد والزمن الدوريFrequency and period\(f=\dfrac1T\)\(f=\dfrac1T\)
السرعة الخطيةLinear velocity\(v=r\omega=\dfrac{2\pi r}{T}\ ,\ \vec v\perp\vec r\ (\text{tangent})\)\(v=r\omega=\dfrac{2\pi r}{T}\ ,\ \vec v\perp\vec r\ (\text{tangent})\)

⚠️ أخطاء شائعة

⚠️ Common mistakes


🧪 اختبر نفسك: امتحان من 20 سؤالاً

🧪 Test Yourself: a 20-Question Exam

أنهِ الدرس بالاختبار التفاعلي التالي؛ أسئلته تجمع بين الفهم والحساب وتغطي جميع أقسام الدرس.

Finish with the interactive exam below; its questions mix understanding with calculation and cover every section of the lesson.

🎡

اختبار الحركة الدائرية (القسم 1) Circular Motion (Part 1) Quiz

20 سؤالاً - الإحداثيات والإزاحة الزاوية والسرعتان الزاوية والخطية 20 Questions - Coordinates, Angular Displacement, Angular and Linear Velocity

المعلوماتInfo
الأسئلةQuestions
النتائجResults
📌 تعليمات مهمة:
• عدد الأسئلة: 20 سؤالاً
• مدة الاختبار: 30 دقيقة
• لا يمكنك تغيير إجاباتك أو إعادة الاختبار إلا بعد 24 ساعة من التسليم.
• تأكد من إجاباتك قبل التسليم!
📌 Important Instructions:
• Number of questions: 20 questions
• Quiz duration: 30 minutes
• You cannot change your answers or retake the quiz for 24 hours after submission.
• Make sure of your answers before submitting!