السقوط الحر
هل يتحرك الجسم الساكن من تلقاء نفسه ؟ ؟
كيف يُمكننا أن نُغير اتجاه جسمٍ يتحرك بسرعةٍ ثابتة ؟
ومن المسؤول عن تغيير مقدار سرعة جسم متحركٍ بسرعةٍ ثابتة ؟
* ما الذي يمنع تطاير الأجسام عن الأرضِ ؟
* وما الذي يحافظ على بقاء الأجسام على سطح الأرض ؟
* هل سمعت بقوة الجاذبية الأرضية ؟!
تؤثر قوة الجاذبية الأرضية في جميع الأجسام على سطح الأرض ، ويكون تأثيرها دائماً باتجاه مركز الأرض .
* إذا قذفتَ كرة رأسياً إلى الأعلى فإنها لاتلبثُ أن تعود إلى الأرض ثانية .
* إذا أفلت جسمٌ ما كنت تحمله بيدك فإنه يسقطُ باتجاه الأرض .
إنَّ أيَّ تغير في حالة الجسمِ من السكون إلى الحركة سببه قوة مؤثرة فيه .
وأيُّ تغير في سرعةِ الجسمِ المتحرك بسرعة ثابتة أو في اتجاه حركته سببه قوة محصلة تؤثر في هذا الجسم المتحرك .
إنَّ قوةَ الجاذبية الأرضية هي المسؤولة عن حركةِ الأجسام الساقطة نحو الأرض .
هل سألت نفسك يوماً أيّ الأجسام الساقطة يصل الأرض أولاً؛ الجسم الثقيل أم الجسم الخفيف؟
اعتقد الناس قديماً ، ومنهم العالم الإغريقي أرسطو ، أن سرعةَ الجسم الساقط تتوقف على وزنه ! وفي حياتنا اليومية ، يبدو لنا للوهلة الأولى أنّ الأجسام الثقيلة تسقطُ أسرعَ من قصاصةَ الورق أو الريشة !
قديماً حيثُ لم يكنُ محسوساً لدى الناسِ مقاومةُ الهواءِ للأجسامِ الساقطةِ اعتقدوا ومنهم أرسطو أن سرعةَ الجسمِ الساقطِ تتوقفُ على وزنهِ ، إلا أن العالمَ غاليلو (1564 – 1642م) برهنَ خطأ هذا الاعتقادِ وذلك بتجربتهِ المشهورةِ حيثُ قامَ بإلقاءِ كراتٍ متساويةٍ بالحجمِ ومختلفةٍ في الكتلة من قمةِ برج بيزا المائل في إيطاليا أمامَ حشدٍ كبيرٍ من مؤيدي رأي أرسطو في ذلك الوقتِ ، وأظهرَ لهم أن الكراتِ الخفيفةَ والثقيلةَ تصلُ الأرضَ معاً ، وقد استعمل في تجربتهِ هذه أجساماً ذات شكلٍ يجعلُها لا تتأثرُ كثيراً بمقاومةِ الهواءِ أثناءَ السقوطِ. وبعد اكتشافِ مفرغةِ الهواءِ ، تمَّ إثباتُ (أن جميعَ الأجسامِ تسقطُ بسرعةٍ واحدةٍ في الفراغِ في مكانٍ واحدٍ) .
الآن قم بتنفيذ الأنشطة التالية :
نشاط رقم (1)
1. أحضر ثلاثة أوراق متشابهة تماماً .
2. اسقط الورقة الأولى رأسيا وسجل الزمن اللازم لكي تصل الورقة إلى الأرض ( ز1) .
3. اسقط الورقة الثانية وهي مكوّرة وسجّل الزمن اللازم لكي تصل الورقة إلى الأرض ( ز2) .
4. اسقط الورقة الثالثة وهي أفقية وسجل الزمن اللازم لكي تصل الورقة إلى الأرض ( ز3) .
5. سجل ملاحظاتك ولخص النتائج التي حصلت عليها .
اضغط هنانشاط رقم (2)
1. امسك بيديك كتلتين مختلفتين في الحجم ، الصغرى من الرصاص والكبرى من الألومنيوم .
2. اتركهما ليسقطا في نفس الوقت ومن نفس الارتفاع .
3. استمع لصوت ارتطامهما في الأرض . سجل ما لاحظته .
نشاط رقم (3)
1. احضر كرتين متساويتين في الحجم تماماً إحداهما من الخشب والأخرى من الرصاص ثم اسقطهما من ارتفاع معين.
2. سجل الزمن اللازم ليصل كلّ منهما إلى الأرض من نفس الارتفاع وليكن هذا الارتفاع
(2م).
ماذا تُلاحظ ؟ .... ماذا تستنتج؟
يطلقُ على سقوطِ الأجسامِ بتأثير قوةِ جذبِ الأرضِ لها (السقوطُ الحرّ) ويكونُ مسارهُ (شاقولياً) أي عمودياً على مستوى الأفق . ومن الأنشطة السابقة يُمكننا وصف حركة الأجسام الساقطة سقوطاً حراً بما يلي :
* مقاومة الهواء تعمل على إبطاء حركة الأجسام .
* لا يكون تأثير مقاومة الهواء متساويا على جميع الأجسام فهي لا تعمل على إبطاء حجر ساقط كثيراً، بينما تؤثّر على ريشة ساقطة تأثيراً أ كبر .
* جميع الأجسام الساقطة سقوطاً حراً تبدأ حركتها بسرعة ابتدائية تساوي صفراً .
* الجسم الساقط سقوطاً حراً يخضع لقوة ثابتة تسمى قوة الجاذبية الأرضية له ، وتؤثر دائماً باتجاه مركز الأرض ، أي الاتجاه الرأسي (الشاقولي) للأسفل .
* الأجسام الساقطة سقوطاً حراً من الارتفاع نفسه عن سطح الأرض تحتاج إلى الفترة نفسها لتصل إلى الأرض .
* لا علاقة لكتلة الجسم الساقط سقوطاً حراً بزمن الوصول وبالتالي لا علاقة للكتلة هنا بالتغير في السرعة .
* تتزايد سرعة الأجسام الساقطة سقوطاً حراً بمعدل زمني ثابت .
* تكتسب الأجسام الساقطة سقوطاً حراً تسارعاً ثابتاً متساوياً لجميع الأجسام .
عرفت أننا نطلق على سقوطِ الأجسامِ بتأثير قوةِ جذبِ الأرضِ لها (السقوطُ الحرّ) ويكونُ مسارهُ (شاقولياً) أي عمودياً على مستوى الأفق . وبإهمال مقاومة الهواء يكون تسارع جميع الأجسام الساقطة قريباً من الأرض متساوياً ويساوي تقريباً 10م/ث2 ويسمى تسارع السقوط الحر .
يعتبر سقوط جسم باتجاه سطح الأرض من أوضح الأمثلة على الحركة بتسارع ثابت. إذا أمكن إسقاط جسم ما في وسط مفرغ من الهواء حتى لا تكون لمقاومة الهواء تأثير على حركة الجسم فإن الملاحظ أن الجسم يتسارع إلى أسفل بمعدل معين وثابت يسمى بتسارع السقوط الحر أو بعجلة الجاذبية الأرضية وتعطي الرمز (جـ). هذا التسارع لا يعتمد على خصائص الجسم مثل الكتلة، الكثافة أو الشكل فهي متساوية لكل الاجسام ، بمعنى لو أننا أسقطنا ريشة حمام وكتلة من الحديد من نفس الارتفاع في نفس الوقت فإنهما يصلان سطح الأرض في نفس اللحظة .
قيمة تسارع الجاذبية الأرضية تتأثر قليلاً بالارتفاع عن سطح الأرض هي تقل كلما زاد الارتفاع . إلا أنه في حدود الجاذبية الأرضية لن يكون هناك تغير يذكر. والقيمة التي نستخدمها لتسارع الجاذبية الأرضية هي جـ = 9.8 م/ث2
اتجاه تسارع الجاذبية الأرضية هو دائماً إلى أسفل سواء كان الجسم ساقطاً لأسفل أو مقذوفا لأعلى فهو لا يرتبط باتجاه سرعة الجسم .
فمن الحقائق المسلم بها أن الجسم الذي يسقط ذاتياً إلى أسفل بتسارع ثابت، وبالرغم من أن القيمة المضبوطة لهذا التسارع الناتج عن جذب الجاذبية الأرضية يختلف من مكان إلى مكان على الأرض فإنه قريب من القيمة السابقة وهذا يساوي .
المعادلات الموضحة مستنتجة على أساس أن التسارع منتظم ( ثابت ) وبهذا يمكن استخدامها وتطبيقها على السقوط الحر مع احداث تغيرين بسيطين :
1-نرمز لاتجاه السقوط الحر باتجاه المحور y ونعتبر الاتجاه الموجب يكون لأعلى
2- نستبدل ت في بـ جـ على اعتبار أن الاتجاه الموجب لـ y يكون إلى أعلى ما ملاحظة أن التعويض عن قيمة جـ هو رقم موجب أي جـ = 9.8 م/ث2
في حالة الأجسام الساقطة سقوطا حرا , تكون السرعة الابتدائية للجسم صفرا , والتسارع يساوي ﺠ , وعليه تصبح معادلات الحركة بتسارع ثابت كما يلي :
التقويم
1- ضع كلمة ( صحيحة) أو ( خاطئة) أمام العبارات التالية :
بإهمال مقاومة الهواء :
أ. يسقط الحجر الثقيل أسرع من الحجر الخفيف .
ب. بالقرب من سطح الأرض جميع الأجسام الساقطة تتسارع بنفس المعدل .
جـ. يستغرق الحجر الثقيل نفس الزمن الذي يستغرقه الحجر الخفيف إذا اسقطا من نفس الارتفاع .
2- كرة فلزية اسقطت من ارتفاع ما واستغرقت في ذلك (5 ثواني):
ما هو التسارع ؟
احسب سرعتها بعد 5 ثواني ؟
احسب السرعة المتوسطة ؟
من أي ارتفاع أسقطت ؟
3- سقط جسم من ارتفاع 5 م ، باعتبار تسارع السقوط الحر 10 م/ث2 . أحسب :
1- سرعة الجسم لحظة وصوله الى سطح الأرض .
2- الزمن الذي يستغرقه الجسم حتى يصل الى سطح الأرض .
الخميس 04 نوفمبر 2010, 16:19