كينيتيك الحركة الانتقالية: القوة، الدفع، الشغل، الطاقة والقدرة

1. القوة ومواصفاتها

ينص القانون الثاني لنيوتن على ان معدل التغير في السرعة اي العجلة لأي جسم مادي يتناسب تناسبا طرديا مع محصلة القوى المؤثرة عليه وهذا التغير يحدث في اتجاه تأثير القوة

ولا يوضح هذا القانون فقط اتجاه العجلة وفقا لتلك القوة المؤثرة بل ايضا يعبر عن التناسب بين قيمة الكميات المؤثرة والقصور الذاتي للجسم مستقلا عن الحركة وهذا الاستقلال الذاتي للجسم لا يحدث الا عند السرعات العالية مثل سرعه الضوء

و لقياس القصور الذاتي للجسم يمكن توضيحه هنا على انه ثابت التناسب بين القوة المؤثرة ويرمز لها بالرمز (ق) على الجسم والعجلة (ج) وعليه يمكن كتابه معادله كما يلي:

ق=ك×جـــ.....(2)

ق : القوة    ،     ك: الكتلة ،      ج: العجلة.

1.1. نظام وحدات القياس

لعمل الحسابات في المعادلة السابقة فإننا في حاجه الى معرفه نظام الوحدات التي يمكن بها قياس المعاملات في المعادلات (القوى -الكتلة -العجلة) والوحدات المستعملة بصفه عامه هي وحدات الطول -الكتلة- الزمن، وفي النظام الانجليزي نظام (قدم- رطل –الثانية)

بالإشارة الى المعادلة (2 )فان وحده القوى القادرة على اعطاء وحدة عجلة لوحدة كتلة

وبنظام (قدم -رطل -الثانية) ستكون القوه القادرة على تحريك جسم كتلته واحد رطل و بعجله مقدارها واحد قدم /الثانية مربع وتعرف باسم الباوندال أي ( وزن رطل).

وفي النظام الانجليزي وحده القوى هي الباوندال اما في الوحدات الدولية تعرف باسم نيوتن اي"  نيوتن " وحده القوة في النظام الدولي وهي عبارة عن:

" القوه اللازمة لتحريك الجسم كتلته واحد كيلوغرام بعجله مقدارها واحد متر / ثانية²".

واحد وزن رطل =32 باوندال

واحد وزم كغ= 9.81 نيوتن

ولكن في الحياه العملية لا تستخدم هذه الوحدات المطلقة لأنه يمكن تحديد كيفيه حركه هذا الجسم بالمقارنة مع القوه المؤثرة على وزنه اذا كانت بالرطل او الكيلوغرام

ولتقريب ذلك للأذهان دعنا نذكر حركة جسم تحت تأثير وزنه فقط اي السقوط الحر فانه يكتسب عجلة تزايدية الى اسفل.

وهي عجله الجاذبية الارضية وعلي فان القوة( ق) وزن رطل هي التي تعطي الجسم تتناسب مع وزن الجسم واو ويمكن التعبير عن هذه العلاقة بالمعادلة التالية:

اي ان قوه مقدارها( ق)تعطي الجسم عجلة مقدارها( ج)وزن الجسم في السقوط الحر ( و) يكسب الجسم عجلة مقدارها (ج_جاذبية )

ولتحقيق هذا التناسب يجب ان تقاس كل من ( ق)،  (و) تحت نفس الظروف واذ كانت القوتان مقاسان بنفس الوحدات فان النسبة بينهما تكون كالنسبة بين عجلتيهما  المقاسة ايضا من نفس الوحدات.

32×ق =ك×جـــ نظام انجليزي

9.81×ق =ك×جـــ نظام دولي.  

ولهذا فائدة واحدة هي اننا ادخلنا الكتلة رمز مستقل بدلا من نسبة واضعين في الاعتبار دائما ان الارقام 32 ، 9.81 ما هي الارقام مطلقة وليست لها معنى فيزيائي

1.2. الدفع وكمية الحركة

في ما سبق كانت تأكيد على موضوع العلاقة بين الحركة بعجلة والحركة المنتظمة ،اي بين العجلة والسرعة وهذا يرجع الى ان اهتمامنا بتأثير القوه العجلات تأثير الحركي مصحوب دائما بتأثير القوة.

ومع انه في الحالات العملية لا نهتم فقط بالنتيجة الحالية لتطبيق القوى على الجسم ولكن لينصب الاهتمام ايضا بالنتيجة النهائية التي نحصل عليها عندما تؤثر القوى لزمن محدود ،لذا يلزمنا معرفة السرعة النهائية للجسم وهي حاصل ضرب عجلته في الزمن الذي عملت به هذه العجلة وهناك مشكله غالبا ما نقابلها في دراسة الحركة الطبيعية ،وهي تغير مواصفات العجلة في كل من القيمة والاتجاه باستمرار الزمن- مع الزمن- نتيجة لتغير القوى في نفس الفترة.

ولكننا سوف نفترض انه هناك قيما ثابتة للكميات التي تشملها الدراسة

لنفرض ان القوة ( ق) ولنأخذها اما بوزن الرطل او بوزن كيلوغرام كما ذكر في ما سبق وباستخدام نفس المعادلة السابقة (2) وكما هو الحال في القانون الثاني قدم /رطل/ثانية النظام المتري على التوالي لنحصل على:

32×ق×ن=ك×جـــ ×ن=ك×ع......(4)

او

9.81×ق×ن =ك×جـــ×ن=ك×ع.....(4أ)

ويعرف الطرف الايمن من المعادلة للمعادلة على انه الدفع ، الطرف الايسر من المعادلة على انه كمية الحركة

وانه من الضروري الاشارة ان الدفع وكمية الحركة كلاهما متجه مصاحبين لبعضهما وفقا للقانون الثاني للحركة وان القوة التي تؤثر في اتجاه ما لزمن قصير سوف تكس الجسم كمية حركة في نفس الاتجاه عدا كمية الحركة التي يمتلكها الجسم اصلا

1.3. علاقه الدفع بكمية الحركة

تحدث حركه الجسم البشري خلال الازمنة محددة لدى فان العديد من اجراءات التحليل البيوميكانيكي تعتمد على دراسة الحركة بالمقارنة بما تستغرقه من زمن فعلى سبيل المثال يعتبر المشي حلقة مركبة من الارتكازات والمرجحات التي تستغرق كلا منها ازمنة محددة، هذا بالإضافة الى ان العديد من المهارات الرياضية يمكن تقسيمها الى مراحل محددة( غالبا ما تكون مرحلة تمهيدية ومرحلة رئيسية او متابعة)، فالمتغيرات البيوميكانيكية التي يمكن الاعتماد عليها في مثل هذا النوع من التحليل هي الدفعJ) )و(كمية الحركةP) ) وهذين المتغيرين مرتبطين ببعضهما حيث نتناولهما من وجهة نظر قوانين نيوتن خاصة القانون الثاني والذي يرى ان التغير في كمية الحركة لأي جسم يعادل دفع القوة المحصلة المؤثرة فيه وفي نفس اتجاهها.

وعلاقة الدفع بكميه الحركة في قانون نيوتن الثاني يتم كتابتها على مدى فترات زمنية اكثر من كونها لخطية حيث( F=Ma) فالدفع هو تأثير القوى التي تعمل خلال زمن معين وهو عبارة عن ناتج القوى والزمن حيث(J=g.t)  وحداته هي( نيوتن/ ثا) ويمكن ادراكه من خلال المساحة تحت منحنى( القوه- الزمن) الذي يمثل هذه العلاقة، فالقوه العمودية كرد فعل الارض خلال اتصال القدم بها يمكن قياسها عن طريق منصة قياس القوه، والمساحة تحت المنحنى بالتكامل مع الزمن تعطي مقدار الدفع، وتعتمد الحركة التي يمكن اكسابها او ايقافها لأي جسم على زمن تأثير القوى ومقدارها.

وقد لاحظ نيوتن ان كتله الجسم التي تؤثر في استجابته لتغير حركته، فكميه الحركة كمية متجهة ويرى نيوتن انها تصف مقدار حركة الجسم، وكمية الحركة(P)  يمكن حسابها عن طريق السرعة التي تتحرك بها الكتلة حيث ووحداتها (الكيلوغرام . المتر / الثانية) وتمثل علاقه الدفع ) القوة المبذولة في زمن محدد) بكمية الحركة (مقدار الحركة) اهمية خاصة في دراسة العديد من المهارات الرياضية على سبيل المثال تظهر مقادير كبيره من القوى عند التصادم رغم صغر زمن التصادم خاصه بين الاجسام التي تتميز باللدانة ،فحركة كرة الجولف تتغير من كمية حركة مقدارها (صفر) الى اقصى كمية حركة لها خلال لحظات زمنية لا تزيد عن (0.005 ثا) المقدار قوة التصادم الى اكثر من (1000 نيوتن)، وفي كره القدم يستغرق زمن اتصال القدم بالكرة عند ركلها الى(0.016 ثا ) في حين ان مقدار القوة المبذولة قد تصل الى( 230 نيوتن)،كما يرى  فان ديجيك Van Dijk  (2002) و تعتبر علاقه الدفع وكميه الحركة هي القانون الذي يفسر مبدا (القوه- الزمن)

2. الشغل

يكثر استخدام اصطلاح الشغل في الحياة اليومية ويفهم الفرد هذا المضمون بشكل عام على انه التغلب على مقاومة ما ، ويقصد عند التحدث عن العمل العضلي في علم الفيزيولوجيا بالتوتر العضلي سواء كان ذلك في صوره تأثير قوى استاتيكية اي انقباض ثابت او ديناميكية .

اما الميكانيكا فعلى العكس من ذلك لا تعرف سوى تقدير حسابي قاطع لمدلول الشغل وله تعريف محدد ويشترط فيه حركه للجسم بتأثير القوى ويرمز له بالرمز

الشغل = القوة × المسافة

فاذا اثرت قوة ثابتة في جسم وحركته فان مقدار الشكر يزداد بزيادة المسافة وفي كل حالة يكون مساويا لحاصل ضرب القوة في المسافة.

فاذا رسمنا محورين متقاربين ومتعامدين احدهما افقيا لتمثيل المسافة والاخر الراسية لتمثيل القوة ورسمنا خطا بيانيا يربط القوة بالمسافة فانه يكون مستقيما يوازي محور المسافة ويكون الشغل ممثلا بمساحه المستطيل المظلل، اما اذا كانت القوى متغيره فلا يكون الشغل مستطيلا وعندما يكون تكامل المسافة لهذه القوة المتغيرة.

3. الطاقة:

توجد انواع كثيره من الطاقة منها الطاقة الحرارية الطاقة الكهربائية والطاقة الميكانيكية وسوف يقتصر الحديث  عن الطاقة الميكانيكية التي تشمل طاقه الوضع وطاقه الحرارية

طاقه الوضع:

من الممكن ان تكمن في جسم ما قدره معينة من الشغل على اساس وضعه، وعلى سبيل المثال عند رفع الجسم من الاجسام وزنه (و) الى ارتفاع قدره (ف) فان فانه يكون من اللازم بذل شغل قدره (و×ف)ولا يذهب هذا شغل سدى بل يكون في صورة طاقة كاملة، ويمكن الجسم اعاده استخراج هذه الطاقة الكامنة او الوضعية عند الاحتياج اليها وهذا ما يقوم به فعلا عندما يلقي به الشخص من هذا الارتفاع الى اسفل

ويتساوى مقدار الطاقة الكامنة مع الشغل المطلوب ذله لرفع الجسم وفق المعادلة التالية :

ش=و×ف=ط وضع..... (5)

طاقه الحركة:

نعلم من دراستنا في كلمتيك الحركة الخطية انه اذا اثرت قوى في جسم كتلته كاف وتحرك بعجله مقدارها جيم فان سرعته النهائية هي:

حيث فاء المسافة التي يقطعها الجسم عندما تزداد سرعته من (ع) الى( ع) وينتج عن ذلك:

وضرب طرفي المعادلة في ½ك ينتج  ان

والطرف الايمن من المعادلة هو طاقه الحركة اما الطرف الايسر فهو طاقة الوضع ويمكن تحويل طاقة الوضع الى طاقة حركة وبالعكس والمثال التالي للاعب الجمباز خلال اداء الدائرة العظمى على جهاز العلقة يوضح تحويل طاقة الوضع الى طاقة حركة ونجد ان سرعة مركز ثقل اللاعب في هذا المثال تكون مساوية للصفر

عندما يكون في اعلى وضع له، ولذلك فانه لا توجد طاقه حركه في هذا الوضع ،بينما تكون طاقه الوضع هنا اكبر ما يمكن لان  الارتفاع (ف)وهو بعد مركز ثقل الجسم عن الارض يكون اكبر ما يمكن وقد تحقق هذا الارتفاع بواسطة مرجحة الجسم التي عملت على رفع مركز ثقله (و) الى هذا الوضع وعند نزول الجسم لأسفل الى قاع المرجحة اقل ارتفاع ممكن تكون طاقه الوضع مساوية للصفر لان المسافة (ف)تصبح عند اذن صفرا، ولكنها تتحول الى طاقه حركه حيث تصبح سرعه الجسم عندئذ اكبر ما يمكن ،وعلى ذلك نرى ان طاقة الوضع تحول الى طاقه حركة.

4. القدرة

كثيرا ما يستخدم لفظ القدرة ايضا في حياتنا اليومية العامة فيقال ان اللاعب لديه قدره على الوثب مثلا او القفز من فوق جهاز ما والواقع ان ذلك يعتبر من الناحية الميكانيكية شغلا بينما العداء الذي يجري 100 متر مثلا هو الذي لديه القدرة من الناحية الميكانيكية لان القدرة هي شغل مرتبط بزمن معين فاذا جرى العداء 100 متر دون التقيد بزمن فهو في الواقع ينجز شغلا وعلى ذلك يمكن ان نعبر عن القدرة بالمعادلة التالية:    

   القدرة =الشغل/ الزمن...(6)