تشرح هذه المقالة ما هي القوة العمودية وكيفية تحديدها اعتمادًا على نوع المشكلة. وهكذا ستجد خصائص القوة العادية، وبالإضافة إلى ذلك، ستتمكن من ممارسة هذا النوع من القوة من خلال التمارين التي تم حلها خطوة بخطوة.
ما هي القوة العادية؟
في الفيزياء، القوة العمودية هي القوة التي يؤثر بها سطح على جسم يستقر عليه. ولذلك فإن اتجاه القوة العمودية يكون عموديًا على السطح واتجاه القوة العمودية إلى الخارج، أي أن السطح يطبق القوة العمودية على الجسم.
بشكل عام، تعمل القوة العمودية على مواجهة قوة الوزن ، وهي قوة الجاذبية التي تمارسها الأرض على أي جسم له كتلة. ومع ذلك، عندما يستقر الجسم على سطح مائل، فإن قيمة القوة العمودية قد لا تكون كافية. أدناه سنرى كيف يتم حساب القوة العمودية على المستوى المائل.
وباختصار فإن خصائص القوة العمودية هي:
- القوة العمودية هي قوة تلامس، أي أنها لا يمكن تطبيقها إلا في حالة تلامس سطحين.
- يكون اتجاه القوة العمودية عموديًا على السطح الذي يبقى عليه الجسم.
- اتجاه القوة العمودية يكون دائمًا نحو الخارج، لأن السطح هو الذي يطبق القوة العمودية على الجسم.
- وبشكل عام، فإن حجم القوة العمودية يعادل إسقاط القوة الناتجة على السطح الداعم.
- عادةً ما يتم تمثيل القوة العمودية بالرمز N أو F N.
كيفية حساب القوة العمودية
بشكل عام، لحساب القوة العمودية، يجب تطبيق معادلات التوازن، التي تنص على أن الجسم يكون في حالة توازن عندما يكون مجموع القوى الرأسية ومجموع القوى الأفقية مساويًا للصفر.
ومن خلال تطبيق شروط التوازن على المشكلة، سنكون قادرين على حل القوة العمودية من المعادلات المقترحة وبالتالي تحديد قيمة القوة العمودية.
مثال على حساب القوة العمودية
الآن بعد أن عرفنا تعريف القوة العمودية، دعونا نرى مثالًا ملموسًا لحساب القوة العمودية.
- جسم وزنه ٨ كجم في حالة سكون على أرض مستوية. ما قيمة القوة العمودية التي تؤثر بها الأرض على الجسم؟
في هذه المسألة، يكون الجسم في حالة سكون على سطح مستو، وبالتالي فإن القوى الوحيدة المؤثرة عليه هي قوة الوزن والقوة العمودية.
لذلك، لكي يكون الجسم في حالة اتزان على سطح مستو، يجب أن تكون القوة العمودية (N) وقوة الوزن (P) متساويتين. وبالتالي فإن العمودي والوزن لهما نفس الاتجاه، ونفس الوحدة، ولكن اتجاههما معاكس.
وبالتالي، لتحديد قيمة القوة العمودية يكفي حساب وزن الجسم، وهو ما يعادل كتلته مضروبة في تسارع الجاذبية:
القوة العمودية المؤثرة على المستوى المائل
في هذا القسم، سنشتق صيغة القوة العمودية المؤثرة على مستوى مائل، حيث أن قيمتها تتغير اعتمادًا على ما إذا كان السطح مسطحًا أم مائلًا.
وبالتالي فإن القوى المؤثرة على جسم يرتكز على مستوى مائل هي كما يلي:
انظر إلى الشكل أعلاه: عندما يكون المستوى مائلاً، يكون من الملائم أكثر استخدام الاتجاه الموازي للمستوى (المحور 1) والاتجاه العمودي على المستوى (المحور 2) كمحاور. بهذه الطريقة يكون من الأسهل تحديد معادلات التوازن.
لحساب القوة العمودية المؤثرة على مستوى مائل، من الضروري تطبيق شرط التوازن على المحور العمودي على المستوى المائل، حيث يمكننا ضمان أن الجسم في حالة توازن على هذا المحور ولكن ليس على المحور الموازي للمستوى المائل. .
وبالتالي فإن القوة العمودية المؤثرة على المستوى المائل تعادل مركبة وزن المحور العمودي على المستوى:
إن مكون وزن المحور المتعامد مع المستوى يساوي صيغة الوزن مضروبة في جيب تمام زاوية ميل المستوى:
باختصار، تنص صيغة القوة العمودية على المستوى المائل على أن القوة العمودية تساوي كتلة الجسم مضروبة في الجاذبية مضروبة في جيب تمام زاوية ميل المستوى:
القوة العادية وقوة الاحتكاك
سنرى في هذا القسم العلاقة بين القوة العمودية وقوة الاحتكاك، حيث أنهما نوعان من القوى المرتبطة رياضياً. لكن عليك أولاً أن تعرف ما هي قوة الاحتكاك.
قوة الاحتكاك (أو قوة الاحتكاك) هي القوة التي تحدث عند محاولة تحريك جسم على سطح غير أملس. وبالتالي فإن قوة الاحتكاك هي قوة تعاكس حركة الجسم.
يتم حساب قوة الاحتكاك من القوة العمودية. وبشكل أكثر دقة، فإن قوة الاحتكاك تساوي معامل الاحتكاك السطحي مضروبًا في القوة العمودية.
ذهب:
-
هي قوة الاحتكاك.
-
هو معامل الاحتكاك.
-
هي مقاومة طبيعية.
حل تمارين القوة العادية
التمرين 1
جسم وزنه ٥ كجم في حالة سكون على أرض مستوية. إذا أضيف جسم آخر كتلته ٣ كجم فوق الجسم الأول، فما القوة العمودية التي تؤثر بها الأرض لدعم الجسمين؟ البيانات: ز=9.81 م/ ث2 .
وبما أن الأرض يجب أن تدعم كلا الجسمين، فإن القوة العمودية ستكون مجموع قوة وزن كل جسم. لذلك، سنقوم أولًا بحساب وزن كل جسم ثم جمعهما معًا.
تذكر أن قوة الوزن يتم حسابها بضرب كتلة الجسم بالجاذبية.
وهكذا نحسب وزن الجسم 5 كجم:
ثانياً نحدد وزن الجسم الثاني الذي كتلته 3 كجم:
وهكذا بتطبيق شرط التوازن الرأسي نحصل على أن القوة العمودية تعادل مجموع الوزنين:
وفي الختام فإن قيمة القوة العمودية التي تؤثر بها الأرض هي:
تمرين 2
كما هو موضح في الشكل التالي، يرتبط جسمان بحبل وبكرة كتلتهما ضئيلة. إذا كانت كتلة الجسم 2 m 2 = 7 كجم وميل المنحدر 50 درجة، فاحسب القوة العمودية التي يؤثر بها المستوى المائل على الجسم الذي كتلته m 1 بحيث يكون النظام بأكمله في حالة توازن. إهمال قوة الاحتكاك طوال التمرين.
يقع الجسم 1 على منحدر مائل، لذا فإن أول ما يجب فعله هو توجيه قوة وزنه للحصول على القوى المؤثرة على محاور المنحدر:
وبالتالي فإن مجموعة القوى المؤثرة على النظام بأكمله هي:
يخبرنا بيان المشكلة أن نظام القوى في حالة توازن، لذا يجب أن يكون الجسمان في حالة توازن. ومن هذه المعلومات يمكننا اقتراح معادلات توازن الجسمين:
من المعادلة السابقة يمكننا حساب كتلة الجسم 1:
ومن ناحية أخرى، إذا نظرنا إلى مخطط قوة النظام، نلاحظ أن القوة العمودية يجب أن تكون مساوية للمركبة المتجهة لوزن الجسم 1 المتعامد مع المستوى المائل.
ومن هذه المعادلة يمكننا إيجاد قيمة القوة العمودية:
يمكننا الآن حساب قيمة القوة العمودية من المعادلة الثانية:
ومن ناحية أخرى نحدد قيمة قوة الاحتكاك باستخدام المعادلة الأولى:
وبالمثل، يمكن ربط قوة الاحتكاك بالقوة العمودية ومعامل الاحتكاك باستخدام الصيغة التالية:
لذلك نحذف معامل الاحتكاك من المعادلة ونحسب قيمته: