القوى في التوازن الثابت: 9 حقائق يجب أن تعرفها


في الميكانيكا الكلاسيكية ، يصف التوازن توازن جميع القوى التي تعمل على نظام فيزيائي. التوازن الثابت هو أحد أنواع التوازن المادي الوارد في هذا المنشور.

يشير التوازن الثابت إلى نظام فيزيائي حيث تكون جميع القوى متوازنة ، ولا توجد حركة نسبية للنظام بحيث يكون صافي القوة وعزم الدوران المؤثرين على النظام صفرًا. من التعريف ، نتعرف على جميع القوى متوازنة في توازن ثابت. إذن في هذه القوة ، دعونا نناقش قوى المشاركة في توازن ثابت.

يشير اسم التوازن الساكن نفسه إلى أن النظام يجب أن يكون في حالة ثابتة لتحقيق التوازن. ثم ما هي القوى التي تطورت في النظام لتحقيق ظروف ثابتة؟

حسنًا ، نعلم أن جميع الكائنات أو الأنظمة على الأرض تتأثر إلى حد كبير بقوة واحدة تسمى الجاذبية ، والتي لا تهتم إذا كان الجسم يتحرك. هذا يدل على أن قوة واحدة متورطة في توازن ثابت. تتم مناقشة بعض القوى الأخرى في توازن ثابت في الأقسام التالية.

ملف: دعم التفاعل avec et sans frottement alt.svg - ويكيميديا ​​كومنز
القوى في التوازن الساكن
صورة ائتمانات: المشاعات ويكيميديا

ما هي أدوار القوى في التوازن الثابت؟

يعني التوازن الثابت صفر القوة الصافية على النظام. من أجل جعل صافي القوة صفرًا ، يجب موازنة القوى الفردية المؤثرة على النظام من خلال تعويض بعضها البعض.

من أجل وضع أفضل ، دعونا نوضح الموقف. لنفترض أن جسمًا ما في حالة سكون وأن بعض القوة F تؤثر عليه. يتحقق التوازن الثابت بواسطة الكائن فقط عندما تعوض قوة –F ذلك الجسم.

يقول البيان أعلاه أن القوة F يتم تعويضها بواسطة قوة أخرى –F في حالة توازن ثابت. يوضح أن الحفاظ على التوازن في التوازن الثابت هو دور القوى في التوازن الثابت.

كيف تشكل القوى التوازن الثابت؟

يتكون التوازن الساكن من قوتين متساويتين في الحجم وتؤثران في الاتجاه المعاكس. لتحقيق توازن ثابت ، يجب أن يكون مجموع كل القوى في كل اتجاه صفرًا.

دعونا نوجز عمل القوة للحصول على توازن ثابت. تؤثر قوة الجاذبية الهبوطية أيضًا على الجسم في حالة السكون. يجب أن توازن القوة الصاعدة الجاذبية لتشكيل توازن ثابت. القوة المحصلة لأعلى تبطل قوة الجاذبية الهابطة.

يتبع تكوين التوازن الثابت بدقة قانون نيوتن الثاني للحركة. في حالة توازن ثابت ، تكون كل من السرعات الخطية والزاوية ثابتة ؛ وبالتالي ، لا توجد إمكانية لإنتاج التسارع. بما أن التسارع يساوي صفرًا ، فإنه يعطي القوة الكلية الناتجة صفرًا.

ما هو الحد الأدنى لعدد القوات المشاركة في توازن ثابت؟

يجب أن تشارك قوتان على الأقل في توازن ثابت. إذا كانت هناك قوة خارجية واحدة متورطة في النظام ، فلا يمكن أن يكون النظام في حالة توازن.

منذ نحن تعرف هذا التوازن ينطوي على موازنة القوى ، لا يمكن أن يكون ممكنًا إذا كانت هناك قوة واحدة فقط. لذلك ، يجب أن يكون هناك قوتان متساويتان ومتعاكستان كحد أدنى لتحقيق التوازن بين بعضهما البعض.

إذا كانت القوة الهابطة تؤثر على الجسم ، فإن القوة الصاعدة تمارس عليهم لموازنتهم في الاتجاه المعاكس. إذا كانت القوة الأمامية تعمل ، فإن القوة الخلفية تسحب الجسم لتحقيق التوازن بينهما.

لتحقيق توازن ثابت ، يجب إشراك عدد زوجي من القوى بدلاً من عدد فردي. ولكن هناك بعض الحالات الاستثنائية التي تشارك فيها ثلاث قوى للاحتفاظ بالتوازن الساكن. لذلك لا يعتمد التوازن الثابت على عدد القوى ، ولكن في النهاية ، يجب موازنة جميع القوى المشاركة في الإجراء لإعطاء قوة صافية صفرية لتحقيق التوازن الثابت.

كيف تجد قوة التوازن الساكن؟

عندما يكون الجسم الصلب في حالة توازن ، فإن تسارعه الخطي والزاوي يساوي صفرًا ؛ وبالتالي ، لإيجاد قوى التوازن الثابت. أولًا ، علينا إيجاد العجلة لأن التوازن الساكن يتبع قوانين نيوتن.

تعطي الصيغة التوازن الثابت.

Σ F.k= 0 ؛ حيث Fk هي القوى التي تعمل في كل اتجاه في النظام.

يمكن كتابة هذا باستخدام قوانين نيوتن مثل

Σ F.k= Σmak=0

أين م هي الكتلة ، وأk هو تسارع النظام الفيزيائي.

افترض أن هناك أربع قوى ، F1، F2، F3، و F.4، يعمل على النظام المتساوي في الحجم والمعاكس في اتجاه الجهد ، إذن

Fk=F1+F2+F3+F4

في شكل متجه ، يمكن كتابة هذه المعادلة كـ

Σ F.kx= 0 ؛ Σ F.ky= 0 ؛ Σ F.kz= 0 ، حيث تمثل x و y و z اتجاه القوى.

المعادلة أعلاه تعني أن القوى المؤثرة على النظام في ظل توازن ثابت تساوي صفرًا في كل اتجاه.

هل التوازن الساكن له قوة صافية؟

الشرط الأساسي للتوازن الثابت هو أن الجسم يجب ألا يشارك في أي نوع من الحركة ، بغض النظر عن الترجمة والحركة الدورانية. نظرًا لعدم وجود حركة ممكنة لجسم في حالة توازن ثابت ، فلا توجد قوة صافية.

يكون الجسم في حالة توازن ثابت إما في حالة راحة أو يتحرك بسرعة ثابتة مع تسارع صفري. نظرًا لعدم وجود تسارع ، ستكون القوة صفرًا. على الرغم من بذل بعض القوى على الجسم ، إلا أنها كانت متوازنة مع بعضها البعض ؛ وبالتالي ، فإن صافي القوة سيكون صفرًا.

الكائن في حالة توازن ثابت لديه صافي قوة صفرية بغض النظر عن النقطة المرجعية التي نختارها. الكائن الذي يعاني من صافي عزم الدوران مشابه أيضًا. لا يوجد عزم صافي ممكن في حالة التوازن الثابت.

ما هي قوة التوتر في توازن ثابت؟

عندما يُفترض أن يتوقف جسم ما بحرية بمساعدة حبل أو خيط ، يتحقق التوازن الثابت لنظام حبل الكائن عن طريق موازنة الشد الذي يعمل على الحبل وجاذبية الجاذبية التي تمارس على الجسم.

من المفترض أن يسلم الكائن سلسلة غير متحركة لموازنة التوازن الثابت. نظرًا لأن الجاذبية تسحب الوزن دائمًا إلى أسفل ، فإن التوتر على الخيط يعمل في الاتجاه المعاكس ، أي في اتجاه تصاعدي ، لإبقاء الجسم ثابتًا للحفاظ على توازن ثابت.

يجب أن يساوي التوتر قوة الجاذبية التي تمارس على الجسم للاحتفاظ بالتوازن الثابت. إذا كان الجهد المبذول لا يتطابق مع الجاذبية ، فقد يتسارع الجسم ، مما يؤدي إلى اضطراب حالة التوازن الساكن.

عندما يكون الشد على الخيط والجاذبية التي تسحب الجسم متساوية ، فإن جميع القوى متوازنة ، وبالتالي تصبح القوة الكلية صفراً. في ظل هذه الظروف ، يتحقق توازن ثابت ولا يتغير. في هذه الحالة ، يتم توجيه الضغط بعيدًا عن الكتلة وباتجاه التوتر على الوتر ، مما يؤثر على القوى اللازمة لموازنة الكتلة لأعلى.

ملف: Equilibre 2 forces 2 exemples.svg - ويكيميديا ​​كومنز
قوى التوتر في توازن ثابت
صورة ائتمانات: المشاعات ويكيميديا

عندما تعمل ثلاث قوى في نقطة ما في حالة توازن؟

يتم الحصول على التوازن عند نقطة تنطوي على ثلاث قوى من خلال نظرية لامي ، والتي تنص على أنه "إذا كانت ثلاث قوى تعمل في نقطة ما في حالة توازن ، فإن كل قوى فردية تتناسب مع خطيئة الزاوية بين القوى المتبقية ذات النقطتين". كما أنه يعطي قيمًا لكل قوة أكبر عدديًا من الفرق بين القوتين الأخريين.

دعونا نفكر في ثلاث قوى تعمل عند النقطة F.1، F2، و F.3، مما يجعل الزاوية α و β و على التوالي ؛ ثم ، وفقًا لنظرية لامي ، يتم إعطاء هذه القوى التي تعمل على النقطة المحورية الصلبة ؛


F1 / sinα = F2 / sinβ = F3 / sinγ

القوى في توازن ثابت
عمل ثلاث قوى في توازن ثابت

يتم ملاحظة القوى الثلاث التي تعمل عند نقطة تحت التوازن في طائرة شراعية للرحلة حيث يكون الرفع (L) والسحب (D) والوزن (W أو mg) غير متوازن. نظرًا لأننا نعلم أن الوزن دائمًا ما يتجه لأسفل ، فإن الرفع يعمل بشكل عمودي على مسار الرحلة ، ويعمل السحب على طول مسار الرحلة ، وستكون هذه الثلاثة متوازنة عندما يكون مجموع المتجه صفرًا.

موازنة هذه القوى الثلاث للحصول على قوة صافية صفرية عن طريق زيادة الرفع وتقليل السحب في الجزء العلوي من جناح الطائرة الشراعية. ومع ذلك ، فإن الوزن هو نفسه دائمًا. مثل هذه الطائرات لها نفس السرعة الأمامية والخلفية ، وهذا الإجراء يحافظ على توازن جميع القوى الثلاث ، أو يتم إلغاؤه للحفاظ على التوازن.

ما هو ناتج ثلاث قوى على جسم في حالة توازن؟

نظرًا لأننا نتحدث عن التوازن ، فإن ناتج ثلاث قوى سيكون صفراً لأنه لا توجد قوة صافية تعمل على النظام ، والقوى الثلاث متوازنة مع بعضها البعض.

نعلم أن ثلاث قوى تؤثر على الجسم في حالة توازن هي السحب والرفع والوزن. يعمل الوزن دائمًا باتجاه مركز الأرض ، والرفع قوة عمودية ويتم سحبها في اتجاه موازٍ.

إذا كانت زاوية ميل مسار الرحلة θ ، فيمكن كتابة المكونات الأفقية والرأسية لمعادلة المتجه كـ

D * cos (θ) -L * sin (θ) = H = 0

WL * cos (θ) -D * sin (θ) = V = 0

تمثل المعادلة أعلاه أن جميع القوى متوازنة في كل اتجاه لمسار الرحلة ، أي الاتجاهات الأفقية والرأسية. وبالتالي فإن النظام في حالة توازن مع ثلاث قوى تعمل في نقطة ما.

ملف: توازن القوى 3 cables.svg - ويكيميديا ​​كومنز
ناتج من ثلاث قوى في توازن ثابت
صورة ائتمانات: المشاعات ويكيميديا

ما هو مثال القوى في حالة التوازن؟

إذا تم بذل قوتين متساويتين ومتعاكستين على جسم واحد ، فإننا نقول إن القوى المؤثرة على الجسم في حالة توازن. على سبيل المثال ، إذا كانت الكرة على منضدة ، نظرًا لأن الوزن يتجه نحو الأسفل ، فإن بعض القوة الأفقية تمارس على الكرة للحفاظ على التوازن على الكرة.

بالطريقة نفسها ، عندما تقف على الأرض ، ستؤثر عليك الجاذبية ، وتجذبك إلى أسفل. لكن هل فكرت يومًا أنك لا تخترق الأرضية ؛ لماذا ا؟

الجاذبية المؤثرة عليك تدفعك للأسفل متوازنة بقوة رد الفعل العادية التي تمارس عليك في الاتجاه التصاعدي. رد الفعل الطبيعي هذا يساوي الجاذبية التي تمارس عليك ، مما يساعدك على البقاء على الأرض ، والحفاظ على التوازن. إذا قمت بحساب صافي القوة ، فستكون صفرًا.

هل تدخل قوة الاحتكاك في توازن ثابت؟

يمارس الجسم الصلب الثابت الاحتكاك لمعارضة حركة الجسم للاحتفاظ بالتوازن الثابت. القوة المؤثرة وقوة الاحتكاك على الجسم متساويتان ، وقوة الاحتكاك في الاتجاه المعاكس للقوة المطبقة.

يعني الاحتكاك قوة المعارضة التي تعارض الحركة النسبية. إذا حاولت تحريك جسم ما أثناء الراحة ، فإنه لا يتحرك ، مما يكسر حالة الثبات ، مما يعني أن الاحتكاك متورط في الحفاظ على توازن ثابت. قوة الاحتكاك تبطل القوة المطبقة ، وبالتالي توازن ثابت هو الحفاظ عليها.

قوة الاحتكاك في توازن ثابت
صورة ائتمانات: فليكر

في الختام

دعونا نختتم هذا المنشور بالقول إن القوى في توازن ثابت متساوية في الحجم ولكنها تمارس عكس ذلك على النظام. تتطور القوى مثل التوتر والاحتكاك والجاذبية أيضًا على الجسم لتلبية حالة التوازن الثابت.

كيرثي مورثي

أنا Keerthi K Murthy ، لقد أكملت التخرج في الفيزياء ، مع التخصص في مجال فيزياء الجوامد. لطالما اعتبرت الفيزياء كموضوع أساسي مرتبط بحياتنا اليومية. كوني طالب علوم أستمتع باستكشاف أشياء جديدة في الفيزياء. ككاتب ، هدفي هو الوصول إلى القراء بالطريقة المبسطة من خلال مقالاتي. تصلني - keerthikmurthy24@gmail.com

آخر المقالات

رابط إلى هيكل وخصائص NaOH Lewis: 17 حقائق كاملة

هيكل وخصائص NaOH Lewis: 17 حقائق كاملة

هيدروكسيد الصوديوم عبارة عن قاعدة غير عضوية قوية ذات كتلة مولية 40 جم / مول. دعونا نناقش المزيد من هيدروكسيد الصوديوم في المقالة التالية. NaOH عبارة عن قاعدة معدنية قلوية ، لذا فإن طبيعة القاعدة قوية جدًا. إنه أيوني ...