حين تتوقف الحافلة فجأة يندفع الركاب إلى الأمام، وحين تنطلق بسرعة يرتد الركاب إلى الخلف. وحين نمسح مفرش المائدة بسرعة تبقى الأواني في أماكنها. هذه المشاهد المألوفة تفسرها خاصية للأجسام اسمها العطالة، وهي أساس قانون مهم في الفيزياء يسمى مبدأ العطالة. وسنفهمه اليوم بأمثلة بسيطة وبصياغة علمية.
مفهوم العطالة
العطالة خاصية في الأجسام تجعلها تقاوم أي تغير في حالتها الحركية. فالجسم الساكن يبقى ساكنًا ما لم تؤثر فيه قوة تحركه، والجسم المتحرك يستمر في حركته ما لم تؤثر فيه قوة تغير سرعته أو اتجاهه. وكلما كانت كتلة الجسم أكبر كانت عطالته أكبر، أي كان أصعب تحريكه أو إيقافه.
القوى المتوازنة
يخضع الجسم عادة لعدة قوى في آن واحد: وزنه نحو الأسفل، وتأثير السطح الذي يسنده نحو الأعلى، وقد يخضع لقوة دفع أو سحب أو احتكاك. تكون القوى متوازنة (أو مجموعها المتجه معدومًا) إذا ألغى بعضها أثر بعض، فلا يحدث أي تغير في حركة الجسم.
مثال: كتاب على طاولة ساكن. يخضع لوزنه P نحو الأسفل ولتأثير الطاولة R نحو الأعلى. القوتان لهما الحامل نفسه، ومتساويتان في الشدة ومتعاكستان في الاتجاه، وعليه فهما متوازنتان، والكتاب ساكن.
نص المبدأ
يمكن صياغة مبدأ العطالة هكذا: إذا كان الجسم خاضعًا لقوى متوازنة (أو لا يخضع لأية قوة) فإنه إما يكون ساكنًا، أو يتحرك حركة مستقيمة منتظمة. وإذا كان ساكنًا أو في حركة مستقيمة منتظمة فإن القوى المؤثرة عليه متوازنة.
والحركة المستقيمة المنتظمة هي حركة مسارها مستقيم وسرعتها ثابتة قيمةً واتجاهًا.
التطبيق على أمثلة
1. سيارة تسير بسرعة ثابتة على طريق مستقيم أفقي. حركتها مستقيمة منتظمة، إذن القوى المؤثرة عليها متوازنة: قوة المحرك التي تدفعها إلى الأمام تساوي قوى الاحتكاك ومقاومة الهواء التي تعاكس حركتها، ووزنها يعادل رد فعل الطريق.
2. كرة ملقاة على أرض ملساء بعيدة عن الاحتكاك. تستمر في حركتها المستقيمة دون توقف إذا انعدمت القوى المعيقة، وهذا ما يحدث تقريبًا في الفضاء. والكرة على أرض خشنة تتباطأ لأن الاحتكاك قوة تعاكس الحركة فتصبح القوى غير متوازنة.
3. مظلي يهبط بسرعة ثابتة. حركته مستقيمة منتظمة، وعليه فوزنه يساوي قوة مقاومة الهواء ويعاكسها.
4. حافلة تتوقف فجأة. تتغير حركتها بفعل الفرامل، أما الركاب فيميلون إلى الاستمرار في حركتهم السابقة بفعل عطالتهم فيندفعون إلى الأمام.
متى تتغير الحركة؟
إذا كانت القوى غير متوازنة تغيرت سرعة الجسم أو اتجاه حركته. فالسيارة التي تتسارع تؤثر عليها قوة محرك أكبر من الاحتكاك. وكرة القدم تغير اتجاهها عندما يركلها لاعب. وكلما كانت القوة المحصلة أكبر في نفس الكتلة كان تغير الحركة أكبر، وسيدرس التلميذ هذه العلاقة تفصيلًا في السنوات اللاحقة.
تجربة بسيطة
ضع بطاقة على كأس وعلى البطاقة قطعة نقدية. ادفع البطاقة بحركة سريعة بإصبعك أفقيًا. ستسقط القطعة في الكأس ولا تتبع البطاقة. السبب أن القطعة تقاوم تغير حالتها السكونية بفضل عطالتها، فتبقى في موضعها بينما تغادر البطاقة من تحتها، فتسقط بفعل وزنها.
العطالة وأحزمة الأمان
أحزمة الأمان في السيارات تفسر بمبدأ العطالة. عند الاصطدام المفاجئ تتوقف السيارة بسرعة، لكن أجسام الركاب تميل إلى الاستمرار في الحركة بسرعتها السابقة، فتندفع إلى الأمام. الحزام يؤثر بقوة تمسك الراكب وتمنع ارتطامه بالزجاج الأمامي، ولذلك هو واجب يحمي الأرواح. وكذلك مساند الرأس تمنع ارتداد الرأس عند الاصطدام من الخلف.
أخطاء شائعة
- الاعتقاد بأن الجسم المتحرك يحتاج دائمًا إلى قوة لتبقى حركته، والصواب أنه يستمر بسرعته إذا كانت القوى متوازنة.
- الاعتقاد بأن الجسم الساكن لا تؤثر عليه قوى، والصواب أنه تؤثر عليه قوى متوازنة.
- القول إن العطالة قوة، والصواب أنها خاصية للأجسام وليست قوة.
- نسيان أن الاحتكاك قوة تعاكس الحركة وهي سبب توقف الأجسام.
الفرق بين السرعة والتسارع
يخلط بعض التلاميذ بين السرعة وتغير السرعة. فالسرعة تصف مقدار الحركة (كم قطع الجسم في الثانية)، أما التغير فيصف كيف تتبدل السرعة. فسيارة تسير بسرعة 100 km/h ثابتة لا تتسارع، والقوى المؤثرة فيها متوازنة. وسيارة تزيد سرعتها من 0 إلى 100 km/h تتسارع، وهنا القوى غير متوازنة، فقوة المحرك أكبر من قوى الاحتكاك.
الحركة الدائرية المنتظمة
قد يظن البعض أن حركة جسم على دائرة بسرعة ثابتة القيمة تدخل في مبدأ العطالة، وليس الأمر كذلك. فاتجاه السرعة يتغير باستمرار على الدائرة، فالقوى المؤثرة لا تكون متوازنة، بل يلزم قوة موجهة نحو المركز تغير الاتجاه. فحركة القمر حول الأرض وحركة حجر مربوط بخيط يدور مثالان على ذلك: لو انقطع الخيط لانطلق الحجر في خط مستقيم مماس لمساره بفعل العطالة.
ملاحظة للمراجعة
عند حل تمرين في هذا الدرس ابدأ برسم الجسم والقوى المؤثرة عليه، ثم اسأل: هل تتساوى القوى المتعاكسة؟ فإن كان الجواب نعم فالحركة مستقيمة منتظمة أو سكون، وإن كان لا فالسرعة تتغير.
تمارين
- صندوق يُسحب على أرض أفقية بسرعة ثابتة بقوة
50 N. ما قيمة قوة الاحتكاك؟ - لماذا يستمر القمر الصناعي في الدوران في الفضاء دون محرك يدفعه باستمرار؟
- شخص في حافلة تنعطف بسرعة، ما اتجاه ميله ولماذا؟
- جسم ساكن تؤثر عليه قوتان إحداهما
20 Nنحو اليمين، فما القوة الأخرى؟
الحلول
- الحركة مستقيمة منتظمة، فالقوى متوازنة وقوة الاحتكاك تساوي
50 Nوتعاكس السحب. - لأن الفضاء شبه خال من الاحتكاك، فلا تتغير سرعته إلا بفعل الجاذبية، فيستمر في حركته.
- يميل نحو الخارج، أي في اتجاه حركته الأصلية المستقيمة، بينما تغيّر الحافلة اتجاهها.
- قوة قيمتها
20 Nنحو اليسار، لتحقق التوازن.
وخلاصة المبدأ أن الحركة المنتظمة لا تحتاج إلى قوة تحفظها، وأن القوة لازمة فقط لتغيير الحركة.