Fislab
الرئيسية / الدروس / عزم الدوران والاتزان الدوراني

⚙️ عزم الدوران والاتزان الدوراني

Torque, Rotational Equilibrium & Moment of Inertia
⏱️ 35 دقيقة 📂 الميكانيكا 🎯 مستوى متوسط

1) عزم القوة

لماذا يسهل فتح الباب عندما ندفعه بعيداً عن مفصلته، ويصعب ذلك عندما ندفعه قربها، مع أن القوة في الحالتين واحدة؟ السبب أن القوة وحدها لا تكفي لتدوير الجسم، بل يدخل بعدها عن محور الدوران في التأثير. لذلك نقول إن للقوة عزم دوران حول محور ما إذا كانت قادرة على إحداث حركة دورانية لجسم حول هذا المحور.

تعريف: عزم الدوران (τ) قيمة متجهة تقيس مدى قدرة القوة على تدوير الجسم حول محور، وهو حاصل ضرب القوة في طول ذراعها.

\[ \tau = r \cdot F \cdot \sin\theta \]

حيث: \(\tau\) عزم الدوران (N·m)، \(r\) طول ذراع القوة (m)، \(F\) مقدار القوة (N)، \(\theta\) الزاوية بين متجه القوة والذراع.

ماذا يعني "ذراع القوة"؟

ذراع القوة \(r\) هو المسافة العمودية من محور الدوران إلى خط عمل القوة. تخيّل أنك تسحب الباب مباشرة في اتجاه المفصلة: الذراع يساوي صفراً والعزم يساوي صفراً، فلن يتحرك الباب مهما شددت.

شرح إضافي: لماذا \(\sin\theta\)؟ العزم يعتمد على المركبة العمودية للقوة فقط (أي \(F\sin\theta\))، لأن المركبة الموازية للذراع تسحب الجسم نحو المحور ولا تدوّره. إذا كانت \(\theta = 90^\circ\) فإن كل القوة عمودية على الذراع و\(\sin 90^\circ = 1\)، أي أن \(\tau = rF\) وهو أكبر ما يمكن. وإذا كانت \(\theta = 0^\circ\) أو \(180^\circ\) فإن \(\sin\theta = 0\) والعزم معدوم.

وحدة العزم

وحدة العزم في النظام الدولي هي نيوتن·متر (N·m). قد تتساوى عددياً مع وحدة الجول، لكننا لا نكتبه جولاً لأن الجول وحدة الشغل والطاقة (كمية قياسية)، بينما العزم كمية متجهة.

2) اتجاه متجه العزم: قاعدة اليد اليمنى

قاعدة اليد اليمنى لاتجاه عزم الدوران

ضع أصابع يدك اليمنى في اتجاه الذراع \(\vec r\)، ثم اطوها نحو اتجاه القوة \(\vec F\)، فيشير الإبهام إلى اتجاه متجه العزم \(\vec\tau\). السبب أن العزم هو ضرب اتجاهي \(\vec\tau = \vec r \times \vec F\)، وهو عمودي على المستوى الذي يحوي \(\vec r\) و\(\vec F\).

لماذا نحتاج إلى الإشارة؟ في المسائل المستوية (كل القوى في مستوى الصفحة) يكون متجه العزم إما خارجاً من الصفحة أو داخلها. لتسهيل الحساب نتفق على: الدوران عكس عقارب الساعة موجب (+)، والدوران مع عقارب الساعة سالب (−). الإشارة هنا تدل على اتجاه الدوران، والمقدار هو القيمة المطلقة.

🧮 حاسبة عزم الدوران

🖥️ محاكاة: حساب عزم الدوران

في هذه المحاكاة يدور جسم دائري حول محور يمر بمركزه، وتُطبَّق عليه قوة ثابتة عند حافته. استخدم خانات الاختيار لتحديد نوع الجسم (كرة صلبة، غلاف كروي، أسطوانة صلبة، غلاف أسطواني)، والمنزلقات لضبط نصف القطر والكتلة ومقدار القوة. اضغط "ابدأ" لبدء الرسم المتحرك، و"إعادة الضبط" لإعادته.

ماذا تلاحظ؟ القوة هنا عمودية على نصف القطر عند الحافة، لذلك \(\tau = F \cdot R\). زيادة القوة أو نصف القطر تزيد العزم. أما نوع الجسم فلا يغيّر العزم المؤثر، بل يغيّر استجابته له (التسارع الزاوي)، كما سنرى في قسم القصور الذاتي.

3) محصلة العزوم

قد تؤثر في الجسم عدة قوى عند نقاط مختلفة، وكل قوة تولّد عزماً. محصلة العزوم هي المجموع الجبري لعزوم هذه القوى: \(\tau_{net} = \sum \tau\). واتجاه الدوران الفعلي يتحدد بإشارة المحصلة، أي أن الجسم يدور في اتجاه العزم الأكبر مقداراً.

مفتاح ربط يدير برغياً

هذا ما يفسّر استعمال المفتاح الطويل: عند ثبات القوة، كلما زاد طول الذراع زاد العزم، فيسهل فك البرغي المتصلب.

مثال محلول

جسم قابل للدوران حول محور يمر بمركزه، تؤثر فيه قوتان متساويتان \(F_1 = F_2 = 50\) N، وبعداهما \(r_1 = 30\) cm و\(r_2 = 50\) cm.

مثال محصلة العزوم

الخطوة 1: القوة الأولى عمودية على الذراع (\(\theta = 90^\circ\)) وتدوّر الجسم عكس عقارب الساعة، فعزمها موجب:

\[ \tau_1 = r_1 F_1 \sin 90^\circ = 0.3 \times 50 \times 1 = +15\ \text{N·m} \]

الخطوة 2: القوة الثانية تصنع \(60^\circ\) مع الذراع وتدوّر الجسم مع عقارب الساعة، فعزمها سالب:

\[ \tau_2 = -r_2 F_2 \sin 60^\circ = -0.5 \times 50 \times 0.866 = -21.65\ \text{N·m} \]

الخطوة 3: محصلة العزوم:

\[ \tau_{net} = \tau_1 + \tau_2 = +15 - 21.65 = -6.65\ \text{N·m} \]

الإشارة السالبة تعني أن الجسم سيدور في النهاية مع عقارب الساعة. لاحظ أن القوة الثانية زاويتها \(60^\circ\) تُقلل مركبتها العمودية، لكن ذراعها أطول، فيبقى عزمها أكبر مقداراً من عزم الأولى.

ملاحظة مهمة: متى ينعدم عزم القوة؟

أي قوة تمر بمحور الدوران، أو توازي محور الدوران، يكون عزمها معدوماً.

لماذا؟ القوة التي تمر بالمحور ذراعها صفر. أما القوة الموازية للمحور فإن متجه عزمها يكون عمودياً على المحور نفسه، ولا يدوّر الجسم حول هذا المحور، لأن الذي يدوّره هو مركبة العزم على امتداد المحور فقط.

قوة تمر بمحور الدوران
🧪 تجربة 1

محصلة عزم الدوران على عارضة

الهدف: تحديد محصلة العزوم المؤثرة في عارضة قابلة للدوران حول محور، وربط إشارة المحصلة باتجاه الدوران.

  1. حدّد محور الدوران (نقطة الارتكاز) على العارضة.
  2. ضع قوة واحدة على إحدى الجهتين، وغيّر بعدها عن المحور، ولاحظ تغيّر العزم.
  3. أضف قوة ثانية على الجهة المقابلة، واحسب محصلة العزوم بالقانون، ثم قارن النتيجة بالمحاكاة.
ماذا تلاحظ؟ بقاء القوة ثابتة مع زيادة البعد عن المحور يزيد العزم. وإذا تساوت العزوم المتعاكسة في المقدار فإن العارضة لا تدور.

4) تطبيق على محصلة العزوم: لعبة الميزان

في هذه المحاكاة توجد أوزان مختلفة على لعبة الميزان، ولكل منها عزم دوران. القوة المؤثرة هي وزن الجسم حيث \(W = m g\) بحيث \(g = 10\) m/s²، والذراع هو بُعد الجسم عن نقطة الارتكاز (الوتد). في الطرف الأيسر وزن ثابت \(F_0 = 12.5\) N.

أكمل بيانات الجدول، ثم طبّق على المحاكاة للتأكد من النتائج

اعتبر أن عزم الجهة اليسرى موجب (عكس عقارب الساعة) وعزم الجهة اليمنى سالب (مع عقارب الساعة)، فتكون \(\tau_{net} = \tau_L + \tau_R\).

محصلة العزوم \(\tau_{net}\) عزم الجهة اليسرى \(\tau_L = +m_1 g r_1\) عزم الجهة اليمنى \(\tau_R = -m_2 g r_2\)
\(\tau_{net} =\) ......... \(m_1 = 5\) kg, \(r_1 = 10\) m
..............
\(m_2 = 8\) kg, \(r_2 = 6\) m
..............
\(\tau_{net} =\) ......... \(m_1 = 7\) kg, \(r_1 = 3\) m
..............
\(m_2 = 9\) kg, \(r_2 = 3\) m
..............
\(\tau_{net} =\) ......... \(m_1 = 3\) kg, \(r_1 = 8\) m
..............
\(m_2 = 8\) kg, \(r_2 = 3\) m
..............
\(\tau_{net} =\) ......... \(m_1 = 5\) kg, \(r_1 = 10\) m
..............
\(m_2 = 2\) kg, \(r_2 = 2\) m
..............
عرض حل الجدول

نستخدم \(g = 10\) m/s² فيكون الوزن \(W = mg\)، وعزم كل جهة \(= W \times r\).

  • الصف 1: \(\tau_L = +5 \times 10 \times 10 = +500\)، \(\tau_R = -8 \times 10 \times 6 = -480\)، والمحصلة \(= +20\) N·m (عكس عقارب الساعة).
  • الصف 2: \(\tau_L = +7 \times 10 \times 3 = +210\)، \(\tau_R = -9 \times 10 \times 3 = -270\)، والمحصلة \(= -60\) N·m (مع عقارب الساعة).
  • الصف 3: \(\tau_L = +3 \times 10 \times 8 = +240\)، \(\tau_R = -8 \times 10 \times 3 = -240\)، والمحصلة \(= 0\) (اتزان دوراني).
  • الصف 4: \(\tau_L = +5 \times 10 \times 10 = +500\)، \(\tau_R = -2 \times 10 \times 2 = -40\)، والمحصلة \(= +460\) N·m (عكس عقارب الساعة).

لاحظ أن الصف 3 هو الوحيد المتزن، لأن العزمين متساويان في المقدار ومتعاكسان في الاتجاه.

5) عزم القصور الذاتي

ما الذي يجعل دوران الكتاب أسهل في حالة دون أخرى؟ كلما كان الدوران أسهل نقول إن القصور الذاتي الدوراني للجسم أقل.

عزم القصور الذاتي (I): مقياس لممانعة الجسم لتغيّر حالته الدورانية، أي لمقاومته للتسارع الزاوي عند تأثير عزم دوران.

يعتمد على كتلة الجسم وتوزيع هذه الكتلة بالنسبة للمحور، ولذلك يُحدَّد دائماً مع ذكر المحور. وهو لكتلة نقطية:

\[ I = m\,r^2 \]

وللجسم المكوّن من عدة كتل نقطية: \(I = \sum m_i r_i^2\).

شرح إضافي: لماذا \(r^2\) وليس \(r\)؟ المسافة تدخل مربعة، لذلك إذا ضاعفت بعد الكتلة عن المحور فإن \(I\) يصبح أربعة أمثال. هذا يفسّر لماذا يصعب تدوير عصا تمسكها من طرفها أكثر من تدويرها من منتصفها: كتلتها بعيدة عن المحور في الحالة الأولى.

شرح إضافي: القصور الخطي والدوراني. الكتلة \(m\) هي مقياس ممانعة الجسم لتغيّر سرعته الخطية، أما \(I\) فهو المقابل الدوراني لها، ويعتمد على الكتلة وتوزيعها معاً.

\[ \tau_{net} = I\,\alpha \]

هذه العلاقة هي المقابل الدوراني لقانون نيوتن الثاني \(F = ma\): العزم يسبب تسارعاً زاوياً \(\alpha\)، وكلما كان \(I\) أكبر قلّ التسارع الزاوي الناتج عن العزم نفسه.

أمثلة على عزوم القصور الذاتي

الجسمعزم القصور الذاتي حول محور التماثل
كرة مصمتة\(I = \frac{2}{5} M R^2\)
كرة مجوفة (غلاف كروي)\(I = \frac{2}{3} M R^2\)
أسطوانة مصمتة / قرص\(I = \frac{1}{2} M R^2\)
أسطوانة مجوفة (غلاف أسطواني)\(I = M R^2\)

الكتلة نفسها أحياناً تعطي قيماً مختلفة لـ \(I\) حسب توزيعها: كل الكتلة في الغلاف الأسطواني بعيدة عن المحور، فيكون \(I\) أكبر من الأسطوانة المصمتة ذات الكتلة والنصف قطر نفسهما.

كتاب يدور حول محور

في أي حالة يكون دوران الكتاب أسهل؟ يكون أسهل عندما تكون معظم كتلته قريبة من محور الدوران، لأن قيمة \(I\) تقل كلما اقتربت الكتلة من المحور.

🧪 تجربة 2

سباق التدحرج على مستوى مائل

الهدف: مقارنة عزوم القصور الذاتي لأجسام متساوية الكتلة تنزل على المستوى المائل نفسه.

  1. اختر الأجسام: كرة مصمتة، كرة مجوفة، أسطوانة مصمتة، أسطوانة مجوفة، ومكعباً.
  2. أطلق جميع الأجسام من أعلى المستوى نفسه في اللحظة نفسها.
  3. سجّل ترتيب وصولها إلى الأسفل، ثم قارن الترتيب بعزوم القصور الذاتي لكل جسم.
ماذا تلاحظ؟ الجسم ذو عزم القصور الأصغر يصل أولاً، والمكعب المنزلق يصل قبل الأجسام المتدحرجة لأنه لا يكتسب طاقة دورانية.
الاستنتاج: \(a = \dfrac{g\sin\theta}{1+I/mR^2}\)، أي أن التسارع يقل كلما زاد \(I\).

التدحرج على المنحدر: من يصل أولاً؟

في هذه المحاكاة كتل متساوية: كرة مجوفة، وكرة مصمتة، وأسطوانة مجوفة، وأسطوانة مصمتة تتدحرج على سطح مائل دون انزلاق، ومكعب ينزلق. لاحظ أي الأجسام يصل أولاً (له عزم قصور أقل) وأيها يصل متأخراً (له عزم قصور أكبر).

شرح إضافي: لماذا يتباطأ الجسم الذي له \(I\) أكبر؟ عند التدحرج دون انزلاق، جزء من طاقة الوضع يتحول إلى طاقة دورانية، ولا يبقى كله للحركة الانتقالية. ويعطي الحساب تسارع المركز الكتلي:

\[ a = \frac{g\sin\theta}{1 + \dfrac{I}{mR^2}} \]

لذلك نحصل على الترتيب من الأسرع إلى الأبطأ بين الأجسام المتدحرجة: كرة مصمتة (\(\frac{I}{mR^2}=0.4\)) ← أسطوانة مصمتة (\(0.5\)) ← كرة مجوفة (\(0.67\)) ← أسطوانة مجوفة (\(1\)). أما المكعب المنزلق (بلا احتكاك) فلا يكتسب طاقة دورانية، لذلك يصل أولاً على المنحدر نفسه.

أمثلة محلولة

مثال 1: كتلة نقطية \(m = 2\) kg على بعد \(0.5\) m من المحور:

\[ I = m r^2 = 2 \times (0.5)^2 = 0.5\ \text{kg·m}^2 \]

مثال 2: قرص مصمت كتلته \(4\) kg ونصف قطره \(0.3\) m:

\[ I = \tfrac{1}{2} M R^2 = \tfrac{1}{2} \times 4 \times (0.3)^2 = 0.18\ \text{kg·m}^2 \]

مثال 3: كتلة نقطية \(2\) kg تتحرك على مسار دائري نصف قطره \(0.8\) m، والسرعة الزاوية \(3\) rad/s. ما عزم قصورها الذاتي؟

\[ I = m r^2 = 2 \times (0.8)^2 = 1.28\ \text{kg·m}^2 \]

شرح: السرعة الزاوية (3 rad/s) لا تدخل في حساب \(I\) أبداً. \(I\) يتعلق بالكتلة وبعدها عن المحور فقط، والسرعة الزاوية تؤثر في الطاقة الحركية الدورانية وليس في القصور الذاتي.

6) مركز الكتلة والاستقرار

مركز الكتلة: نقطة على الجسم تتركز فيها كتلته كلها، ويتحرك كأن كل الكتلة فيها.

إذا كان الجسم الصلب معرّضاً لقوى محصلتها صفر، فإن مركز كتلته يتحرك حركة مستقيمة منتظمة (أو يبقى ساكناً). وفي حقل الجاذبية المنتظم يتطابق مركز الكتلة مع مركز الثقل.

شرح إضافي: كيف تجده عملياً؟ علّق الجسم من نقطة ما، ثم ارسم خطاً شاقولياً من تلك النقطة. كرر التعليق من نقطة أخرى وارسم خطاً ثانياً. نقطة تقاطع الخطين هي مركز الكتلة. وفي الجسم المتجانس المتماثل يقع مركز الكتلة عند مركز التماثل.

متى يكون الجسم أكثر اتزاناً واستقراراً؟

في هذه المحاكاة تضغط على الأيقونة الموجودة بجوار كل جسم لتغيير القاعدة وبُعد المركز، ثم تغيّر ميل المستوى عبر المجرى الموجود على اليسار، حتى تصبح قوة الوزن قادرة على تدوير الجسم وقلبه.

لاحظ ماذا يحدث كلما كانت قاعدة الجسم أكبر ومركز الكتلة قريباً من القاعدة.

شرح إضافي: لماذا يقلب الجسم؟ يبقى الجسم مستقراً ما دام الخط الشاقولي المار بمركز الكتلة يقع داخل القاعدة. إذا خرج هذا الخط عن القاعدة، يصبح عزم الوزن حول حافة القاعدة يدوّر الجسم ويقلبه. لذلك: القاعدة الكبيرة تعني أن الخط يحتاج إلى مسافة أكبر ليخرج منها، والمركز المنخفض يعني أن الجسم يحتاج إلى إمالة أكبر ليصل الخط إلى الحافة.

7) الاتزان الدوراني

متى يكون الجسم في حالة اتزان؟

ليتحقق الاتزان الكامل لابد من توافر شرطين:

1. الاتزان الدوراني: محصلة عزوم القوى تساوي صفراً: \(\sum \tau = 0\).

2. الاتزان الانتقالي: محصلة القوى المؤثرة في الجسم تساوي صفراً: \(\sum \vec F = 0\).

شرح إضافي: لماذا الشرطان معاً؟

• قد تكون \(\sum \tau = 0\) ومع ذلك يتحرك الجسم انتقالياً، مثل جسم تؤثر فيه قوة محصلة تمر بمركزه: عزمها حول المركز صفر، لكن الجسم يتسارع انتقالياً.

• وقد تكون \(\sum \vec F = 0\) ومع ذلك يدور الجسم، مثل زوج قوى: قوتان متساويتان ومتعاكستان لكنهما لا تمران بخط واحد، فتدوّران الجسم دون أن تحركاه انتقالياً.

🧪 تجربة 3

اتزان عارضة تحت ثلاث قوى

الهدف: التحقق من شرطي الاتزان لعارضة تؤثر فيها ثلاث قوى حول محور دوران.

  1. علّق القوى الثلاث على جانبي المحور بأبعاد وقيم مختلفة.
  2. احسب عزم كل قوة، مع اعتبار الدوران عكس عقارب الساعة موجباً.
  3. تحقق من أن محصلة العزوم تساوي صفراً، ثم تحقق من أن القوى كلها (مع قوة الارتكاز) محصلتها صفر، وجرّب تغيير إحدى القوى وأعد الحساب.
ماذا تلاحظ؟ تتوازن العارضة عندما تتعادل العزوم الموجبة مع السالبة، وهذا ممكن بتعديل الأبعاد أو القيم.

اختيار محور الدوران

إذا كان الجسم في حالة اتزان، فإن مجموع العزوم يساوي صفراً حول أي محور تختاره. لذلك اختر المحور عند نقطة تمر بها قوة مجهولة، فتختفي هذه القوة من معادلة العزوم وتصبح المسألة أسهل.

في هذه المحاكاة علّق كتلاً مختلفة على أبعاد مختلفة عن محور الدوران محققاً الاتزان الدوراني، وتأكد من ذلك بحساب محصلة العزوم. توقع كيف يتغير الاتزان عند تغيير موضع الأجسام على اللوح، ثم تحقق بالحساب.

مثال تطبيقي: ميزان متزن حول الوتد. علّقت كتلة \(4\) kg على بعد \(1.5\) m على اليسار، وأردنا موازنتها بكتلة \(m\) على بعد \(0.5\) m على اليمين.

\[ \sum \tau = 0 \;\Rightarrow\; 4 \times 10 \times 1.5 = m \times 10 \times 0.5 \;\Rightarrow\; 60 = 5m \;\Rightarrow\; m = 12\ \text{kg} \]

شرح: لاحظ أن الكتلة الأصغر تحتاج إلى بعد أكبر لتوازن الكتلة الأكبر، فالذراع هو الذي يعوّض الفرق في الكتلة.

ملخص الدرس

• عزم القوة: \(\tau = r F \sin\theta\)، ويعتمد على الذراع والمركبة العمودية للقوة.

• محصلة العزوم: مجموع العزوم الجبرية، والموجب عكس عقارب الساعة.

• القوة التي تمر بالمحور أو توازيه لا تُدوّر الجسم حوله.

• عزم القصور الذاتي: \(I = \sum m r^2\)، ويعتمد على الكتلة وتوزيعها بالنسبة للمحور، والعلاقة \(\tau = I\alpha\).

• مركز الكتلة: النقطة التي تتركز فيها كتلة الجسم، والاستقرار يزداد بقاعدة كبيرة ومركز منخفض.

• الاتزان الكامل: \(\sum \vec F = 0\) و\(\sum \tau = 0\).

🎯 امتحان الدرس: 20 سؤالاً

أجب عن الأسئلة ثم سلّم الاختبار لترى النتيجة والحل. تنبيه: الإجابة نهائية بمجرد اختيارها.

⚙️🧪

اختبار عزم الدوران والاتزان الدوراني Torque and Rotational Equilibrium Quiz

20 سؤالاً - عزم القوة، محصلة العزوم، القصور الذاتي، مركز الكتلة، والاتزان الدوراني 20 Questions - Torque, net torque, moment of inertia, center of mass and rotational equilibrium

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!
لاحظت خطأ؟ أو عندك سؤال عن الدرس؟ اكتبه بالتعليقات وحدد مكانه بالضبط. Noticed an error, or have a question about the lesson? Write it in the comments and specify exactly where.