علم الحركة (Kinematics) هو فرع من فروع الميكانيكا (Mechanics) يصف حركة الأجسام والنظم المادية. هناك مفهومان أساسيان لصياغة نظريات علم الحركة بشكلها الكلاسيكي، وهما ثبات الأبعاد المكانية وإسقلاليتها عن الزمن.
لا يوجد في الكون المعروف لدينا شيء ساكن، فالحركة هي الصفة الملازمة للوجود وإن عجزت حواسنا عن رصدها أحياناً. الأرض تدور حول نفسها وحول الشمس وكذلك باقي الأجرام التي تكوّن المجموعة الشمسية. حتى ما يظهر لنا من الجماد من عناصر ومركبات ومخلوطات ، ويبدو كأنه في حالة سكون كالتماثيل والآلات والأدوات المصنوعة من المعادن المختلفة، والبنايات والصخور فإن كل ذرة من ذراتها في حالة اهتزاز دائم يتناسب طردياً مع درجة حرارتها بينما الإلكترونات في كل ذرة من ذراتها تظل تدور باستمرار حول النواة.
نستطيع وصف حركة جسم مادي نقطي في فضاء إقليدي باستخدام ثلاثة مفاهيم وهي المسافة، والسرعة والتسارع. يصف علم الحركة تنقل ودوران مركز الكتلة (Center of mass) الجسم في فضاء ثلاثي الأبعاد.
صف حركة بعض الأجسام بأنها منتظمة كحركة قمر صناعي يدور في الفضاء بسرعة ثابتة مقدارها 500 م/ ث ولا يغيرها أو حركة جسم ساقط من برج نحو الأرض ، أو حركة جسم ينطلق من السكون ويزيد من سرعته بمعدل 5 م/ث . فتصبح سرعته عند نهاية الثانية الأولى 5 م/ث ، وعند نهاية الثانية الثانية 10 م/ث وعند نهاية الثانية الثالثة 15 م/ث وهكذا . وهنالك أشكال أخرى للحركة المنتظمة لا مجال لبحثها هنا مثل حركة الكواكب حول الشمس والنجوم حول مركز المجرة . ولكن بالمقابل وكما شاهدنا فإن الكثير من الأجسام تتحرك بطريقة أخرى أي أنها تغير سرعتها وزمن حركتها ، فأنت عند مشيك تتحرك حركة غير نظامية ، والسيارة في السفر من بلد لآخر تغير سرعتها حسب ما تواجهه من مواقف وهذا ما نطلق عليه اسم الحركة غير المنتظمة .
إن هذا التصنيف للحركة على أنها منتظمة وغير منتظمة هو لغرض التبسيط ولغرض دراسة حركة الأجسام المختلفة ، والحركة مهما ظهرت لنا مضطربة وفوضوية هي في واقع الأمر نظامية لو درست لحظة بلحظة أي خلال فترات زمنية قصيرة .
عندما يتحرك جسم ما بسرعة ثابتة فإنه يُغطي أو يقطع مسافات متساوية في أزمان متساوية ، ويسمى هذا النوع من الحركة باسم الحركة المنتظمة .
مثال (1) : جسم يتحرك بسرعة ثابتة مقدارها 6 م لمدة 10 ثواني كم المسافة التي يقطعها ؟؟
الحل : المسافة = السرعة × الزمن
= 6 م / ث × 10 ث
= 60 م
إذا كنت ماشياً في طريقك من المدرسة إلى البيت،فإن موقعك بالنسبة إلى موقع المدرسة هو في تغير مستمر وكذلك سيكون موقعك بالنسبة إلى موقع البيت متغيراً باستمرار،ونتيجة لهذا التغير فإنك تقطع مسافة ما خلال زمن معين ،وبالتالي فإنك تسير بسرعة معينة.فعندما نصف أي جسم بالحركة نستخدم المصطلحات الفيزيائية التالية:
1- الموقع Position
2- المسافة Distance
3- الإزاحة Displacement
4- الزمن Time
5- السرعة Velocity
6- التسارع Acceleration
إن من أساسيات دراسة علم وصف الحركة الكينماتيكا Kinematics للأجسام المادية هو دراسة كل من الإزاحة Displacement والسرعة Velocity والتسارع (العجلة) Acceleration. ونحتاج هنا إلى اعتماد محاور إسناد لتحديد موضع الجسم المتحرك عند أزمنة مختلفة ومن المناسب اعتمادالإحداثيات الديكارتية التي درسناها في الفصل السابق، فمثلاً نحتاج إلى تحديد موقع جسم ما إلى إسناده إلى مرجعية محددة فمثلاً يمكن اعتبار متجه الموضع Position vector هو المتجه الواصل من مركز إسناد معين إلى مكان الجسم الذي يراد تحديده.
Position
الحركة هي تغير موقع الجسم ، بالنسبة إلى موقع جسم آخر نفترضه ثابتاً.
فعندما نصف حركة جسم ما، نحددها بالنسبة إلى نقطة ما تُعَدُ ثابتة ، ويتم تحديد الموقع بالنسبة إلى نقطة إسناد أو موقع مرجعي متفق عليه ضمن إطار مرجعي (نقطة الأصل) . ويسمى بعد الجسم عن هذه النقطة الموقع Position .
The position of a particle can be said to have three distinct specifications:
- The point from which the position of the particle is specified, called the Reference Point.
-The distance of the particle from the reference point.
- Some quantifier of the direction in which the particle lies with respect to the reference point.
الموقع : كمية متجهة قد تكون موجبة أو سالبة .
موقع الجسيم لا يتحدد إلا بإختيار نقطة مرجعية نعتبرها نقطة الأصل المرجعية.
ولتحديد موقع أي جسم نحتاج إلى العناصر التالية:
1- رقم
2- وحدة
3- اتجاه
4- نقطة مرجعية
مثلا أنت تبعد عن النافذة (نقطة مرجعية) 3 (رقم) أمتار (وحدة) إلى الشرق (اتجاه).
Position vector
Distance, and Displacement
عندما يتغير موضع الجسم من مكان إلى آخر،فإنه يستغرق زمناً Time عند انتقال الجسم من موضع البداية عند الزمن t1 إلى موضع النهاية t2 ، أي أن الجسم قطع مسافة Distance وهذه المسافة المقطوعة بين الموضعين تسمى الإزاحة Displacement .
Distance is the length of path followed during a motion.
Displacement
The displacement of an object is defined as the vector distance from
some initial point to a final point. It is therefore distinctly different from the distance traveled except in the case of straight line motion. The distance traveled divided by the time is called the speed, while the displacement divided by the time defines the average velocity.
If the positions of the initial and final points are known, then the distance relationship can be used to find the displacement
Displacement is a measurement of change in position of the particle in motion. Its magnitude and direction are measured by the length and direction of the straight line joining initial and final positions of the particle. Obviously, the length of the straight line between the positions is the shortest distance between the points.
Displacement is the vector extending from initial to final positions of the particle in motion during an interval.
From physical view point, displacement conveys the meaning of shortest distance plus direction of the motion between two time instants or corresponding two positions. Initial and final positions of the point object are the only important consideration for measuring magnitude of displacement. Actual path between two positions has no consequence in so far as displacement is concerned.
The quantum of displacement is measured by the length of the straight line joining two ends of motion. If there is no change in the position at the end of a motion, the displacement is zero.
متجه إزاحة الجسم بين لحظتين زمنيتين هو التغير في متجه موقع الجسم بين هاتين اللحظتين.
متجه الإزاحة = متجه الإزاحة النهائي - متجه الإزاحة الابتدائي
اي أن متجه الإزاحة لجسم في فترة زمنية يساوى التغير الحادث في متجه موقع الجسم في هذه الفترة.
المسافة distance بين نقطتين هي طول الخط line المستقيم بين هاتين النقطتين . وهكذا تعرف المسافة بين نقطتين بأنها طول المسار بينهما .
تعين المسافة بمقدارها فقط ؛ أي أنها كمية غير متجهة .
الإزاحة : Displacement هي أقصر مسافة بين النقطتين اللتين انتقل الجسم بينهما ،وهي كمية متجهة تعين بالمقدار والاتجاه.
أن الإزاحة displacement تعتمد على المسافة بين نقطتي البداية والنهاية فقط ولا تعتمد على المسار الذي يسلكه الجسم.
وقد نتساءل :
هل يمكن ان يكون مقدار الازاحة مساويا المسافة خلال فترة معينة ؟
الاجابة: يمكن ان يحدث ذلك فقط اذا كانت حركة الجسيم خلال هذه الفترة فى خط مستقيم وفي جهة واحدة .
المصدر: كتاب مفتاح الإبداع للفيزياء 101 للمؤلف مصطفى نمر
الأربعاء 13 أكتوبر 2010, 14:30