ستجد في هذا المقال شرح مفهوم القصور الذاتي في الفيزياء وخصائصه. سوف تجد أنواعًا مختلفة من القصور الذاتي الموجودة بالإضافة إلى العديد من الأمثلة. وأخيرًا، نعرض لك أيضًا العديد من المفاهيم ذات الصلة لفهم معناها بشكل أفضل.
ما هو القصور الذاتي في الفيزياء؟
في الفيزياء، القصور الذاتي هو خاصية بقاء الأجسام في حالة الحركة أو السكون. ببساطة، القصور الذاتي هو المقاومة التي تبذلها الأجسام عند محاولة تغيير حالة حركتها، سواء كانت السرعة أو الاتجاه.
وبالتالي، كلما كان الجسم أو النظام خاملًا، زادت صعوبة تعديل حالة حركته أو سكونه. مما يعني أنه يجب تطبيق قوة أكبر لتغيير حالة الحركة المذكورة.
على سبيل المثال، الجسم الذي يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة (سرعة ثابتة) سيواجه صعوبة أكبر في تغيير سرعته، كلما زاد القصور الذاتي للجسم. على العكس من ذلك، سيكون من السهل نسبيًا تعديل سرعته من خلال ممارسة قوة خارجية إذا كان لديه القليل من القصور الذاتي.
أنواع القصور الذاتي
في الفيزياء، يمكن تصنيف القصور الذاتي إلى أنواع مختلفة:
- القصور الحراري : هو صعوبة جسم أو نظام في تعديل درجة حرارته، ويعتمد هذا النوع من القصور الذاتي على القدرة الحرارية للجسم أو النظام. ولذلك سيكون من الصعب تسخين أو تبريد الجسم ذو القصور الذاتي الحراري العالي.
- القصور الذاتي الميكانيكي : يتكون من صعوبة قيام الجسم أو النظام بتعديل حالة حركته أو سكونه، ويختلف باختلاف كتلة الجسم أو النظام وطريقة توزيعها. يمكن تقسيم القصور الذاتي الميكانيكي إلى أربعة أنواع فرعية:
- القصور الذاتي الساكن : هو قصور الأجسام الساكنة.
- القصور الذاتي الديناميكي : هذا هو القصور الذاتي الذي تظهره الأجسام المتحركة.
- القصور الذاتي الانتقالي : هو القصور الذاتي الذي يظهر في الأجسام المتحركة.
- القصور الذاتي الدوراني : هو القصور الذاتي الذي تمتلكه الأجسام التي تدور، أي التي تدور حول نفسها.
أمثلة على القصور الذاتي
بعد الاطلاع على تعريف القصور الذاتي في الفيزياء، سنرى عدة أمثلة لفهم المفهوم بشكل أفضل.
- على سبيل المثال، القوة التي يجب تطبيقها على الجسم لتحريكه تعتمد على قصوره الذاتي. كلما زاد وزنه، زاد القصور الذاتي وبالتالي زادت صعوبة تحريكه. ومن ناحية أخرى، من السهل تحريك جسم خفيف.
- مثال آخر على آثار القصور الذاتي هو فرملة السيارة. إذا كانت السيارة تسير بسرعة عالية، فسيكون قصورها الذاتي أكبر، وبالتالي ستكون هناك حاجة إلى مزيد من القوة لكبحها.
- أخيرًا، عند محاولة دفع طفل على الأرجوحة، يكون من الصعب القيام بذلك إذا كان وزن الطفل كبيرًا لأنه يعاني من المزيد من القصور الذاتي. ستكون هذه الحالة مثالًا على القصور الذاتي الدوراني نظرًا لأن التأرجح يدور حول محور التأرجح.
مبدأ القصور الذاتي
ينص مبدأ القصور الذاتي ، والذي يسمى أيضًا بقانون نيوتن الأول، على ما يلي:
يظل الجسم ساكنًا أو يتحرك بسرعة ثابتة إذا لم تؤثر عليه قوة خارجية. ولذلك يجب أن تؤثر قوة على الجسم لتغيير حالة حركته أو سكونه.
ومن الأمثلة الواضحة على مبدأ القصور الذاتي أي جسم يبقى على الأرض، حيث أن الجسم لن يتحرك حتى تؤثر عليه قوة.
وكما يوحي اسمه، فقد صاغ هذا القانون لأول مرة من قبل الفيزيائي إسحاق نيوتن، الذي وضع أسس الميكانيكا الكلاسيكية.
قوى القصور الذاتي
قوى القصور الذاتي هي قوى وهمية تظهر عندما ندرس في الفيزياء جسمًا ما على نظام مرجعي غير قصوري، أي على نظام مرجعي يغير حجم أو اتجاه سرعته.
بمعنى آخر، هذه هي نوع من القوى التي يتم “اختراعها” بحيث يتم احترام قوانين الفيزياء، ولا سيما المعادلة التي يجب أن يستجيب لها أي نوع من الأنظمة:
منطقيًا، يجب أن تؤخذ قوى القصور الذاتي في الاعتبار فقط في الأطر المرجعية غير القصورية، مثل منصة دوارة. إذا، على سبيل المثال، نستخدم الأرض كنظام مرجعي (نظام مرجعي نموذجي)، فليس من الضروري تضمين هذا النوع من القوى.
لحظة من الجمود
لحظة القصور الذاتي هي وسيلة لقياس القصور الذاتي الدوراني لجسم أو نظام. وبالتالي، فإن عزم القصور الذاتي يشير إلى توزيع كتل الجسم أو النظام بالنسبة لمحور الدوران.
ولذلك فإن عزم القصور الذاتي يعتمد على هندسة الجسم أو النظام وموضع محور الدوران.
صيغة حساب لحظة القصور الذاتي للنظام هي:
حيث m i هي كتلة كل جسيم في النظام و r i هي الحد الأدنى للمسافة بين كل جسيم ومحور الدوران.
وحدات عزم القصور الذاتي هي كجم م 2 .