يعتبر الزخم من القوانين المهمة في الفيزياء والرياضيات، لذلك يتم تعليم الطلاب ويطلب منهم البحث عن الزخم والتصادمات، وكذلك البحث عن الزخم والدفع، وكيفية قياس الزخم، والبحث عن قانون حفظ الزخم، بحيث أن يكونوا على دراية بمفاهيم الزخم وتأثيره على الأشياء نظرياً وإسقاطه على العالم من حولهم بطريقة عملية.
ما هو معنى الزخم
الزخم هو مصطلح شائع نسبياً في الرياضيات، وهو في الأصل مصطلح فيزيائي يشير إلى مقدار الحركة التي يمتلكها الجسم، ويمكن تعريفه على النحو التالي:
- يمكن تعريف الزخم بأنه “الكتلة المتحركة”. جميع الأجسام لها كتلة؛ لذا، إذا كان الجسم يتحرك، فهو يمتلك زخمًا
- تعتمد كمية زخم الجسم على متغيرين: كتلة الجسم وسرعته
- يتناسب الزخم طرديًا مع كل من الكتلة والسرعة، حيث تؤدي زيادة الكتلة بمقدار ضعفين أو ثلاثة أضعاف (مع سرعة ثابتة) إلى زيادة مقدار الزخم بمقدار ضعفين أو ثلاثة أضعاف، وبالمثل زيادة بمقدار ضعفين أو ثلاثة أضعاف في السرعة (مع كتلة ثابتة) يؤدي إلى زيادة بمقدار ضعفين أو ثلاثة أضعاف في كمية زخم الجسم.
- ويمكن كتابة المعادلة المعبرة عن هذا المفهوم على النحو التالي، زخم الجسم يساوي كتلة الجسم مضروبة في سرعة الجسم، الزخم = الكتلة * السرعة.
- كمية الحركة هي كمية متجهة، وليست كمية قياسية.
كيف يتم قياس الزخم؟
وفي البحث عن الزخم والمعلومات حول كيفية قياس الزخم، يمكن تفسير ذلك على النحو التالي:
- يتم قياس الزخم كـ p=mv، حيث m هي الكتلة وv هي السرعة
- توضح هذه المعادلة أن الزخم يتناسب طرديًا مع كتلة الجسم ويتناسب طرديًا مع سرعة الجسم.
- وحدات قياس الزخم هي وحدات الكتلة مضروبة في وحدات السرعة، الوحدة القياسية لقياس الزخم هي كجم * م / ث.
- الزخم هو كمية متجهة، مما يعني أنه يجب تضمين المعلومات المتعلقة بحجم واتجاه الجسم المتحرك.
- اتجاه ناقل الزخم هو نفس اتجاه سرعة الجسم المتحرك
ابحث عن الزخم والاصطدامات
التصادمات هو اسم لعملية يمارس فيها شيئين أو أكثر قوى نسبية على بعضها البعض خلال فترة زمنية قصيرة نسبيًا، مثال على ذلك ضرب المضرب بالكرة مثال واضح على الاصطدام قبل وبعد الاتصال، و غالباً ما يتم تجاهل تأثير القوى الخارجية أثناء التصادم، وهذه بعض النقاط المهمة التي ينبغي ذكرها في موضوع بحثي عن الزخم والتصادمات.
- الزخم ثابت في جميع التصادمات قبل وبعد التصادم.
- إذا كانت الطاقة الحركية متغيرة قبل وبعد الاصطدام، فهذا يعني أن هذا الاصطدام غير مرن.
- إذا كانت الطاقة الحركية قبل التصادم هي نفسها بعده، فإن التصادم مرن.
- التفاعلات بين الجزيئات في الكيمياء هي أمثلة على الاصطدامات المرنة.
- يتم حساب الطاقة الحركية باستخدام المعادلة التالية:
أمثلة على الأبحاث حول الزخم والتصادمات والطاقة الحركية
إذا اصطدمت سيارتان وجهاً لوجه وتوقفت السيارتان بسبب الاصطدام، أجب عما يلي:
- هل يستمر الزخم على الرغم من توقف السيارتين؟ نعم، على الرغم من عدم وجود زخم بعد الاصطدام، إلا أنه لم يكن هناك زخم كامل قبل الاصطدام. الزخم هو كمية متجهة، حيث يجب أن يكون الزخم الإيجابي لسيارة واحدة متوازنًا مع الزخم السلبي للسيارة الأخرى.
- هل تبقى الطاقة الحركية محفوظة بالرغم من توقف السيارتين؟ لا، الطاقة الحركية هي كمية عددية، وكانت السيارتان تتحركان وكانت لديهما طاقة حركية قبل الاصطدام، ولكن بعد الاصطدام لا توجد طاقة حركية.
ابحث عن الزخم والاندفاع
من الصعب إيقاف أي جسم له زخم، ولإيقافه من الضروري تطبيق قوة ضد حركته لفترة معينة من الزمن. حيث أن القوة تؤثر على الجسم لفترة زمنية معينة حتى تتغير سرعة الجسم وبالتالي يتغير زخم الجسم.
مثال على البحث عن الزخم والاندفاع
لفهم مفهوم الزخم والاندفاع وحتى لا تبدو معلومات مجردة، يمكن ملاحظة ذلك أثناء القيادة، فعندما توقف سيارتك عند الاقتراب من إشارة المرور، تطبق الفرامل قوة على السيارة لفترة زمنية معينة لتغيير زخم السيارة، يمكن لأي جسم ذو زخم أن يتوقف إذا تم تطبيق قوة عليه لفترة زمنية معينة.
معادلات البحث عن الزخم والاندفاع
هذه المفاهيم السابقة ما هي إلا ثمرة قانون نيوتن الثاني الذي ينص على (F net = m * a) أن تسارع الجسم يتناسب طرديا مع القوة الكلية المؤثرة على الجسم ويتناسب عكسيا مع كتلة الجسم، حيث (أ = التغير في السرعة / الزمن)، وينتج عن المساواة:
F = م * أ أو F = م * ∆v / t
إذا تم ضرب طرفي المعادلة أعلاه في الزمن t فإن المعادلة ستكون جديدة:
F * ر = م * ∆الخامس
- يمكن أن نقول من هذه المعادلة أن حاصل ضرب القوة في الزمن يساوي حاصل ضرب الكتلة في التغير في السرعة.
- في الفيزياء، يُعرف حجم القوة الزمنية بالزخم، وبما أن الكمية m * v هي الزخم، فإن الكمية m * Δv يجب أن تكون التغير في الزخم، الزخم = التغير في الزخم
- في التصادم يتعرض الجسم لقوة لفترة زمنية محددة تتسبب في تغير كمية الحركة، ونتيجة القوة المؤثرة عليه لفترة زمنية معينة هي أن كتلة الجسم إما تتسارع أو تتباطأ (أو يحدث تغيير في الاتجاه).
- يمكن التعبير عن ذلك في صورة المعادلة F * t = m * Δv.
شرح قانون الحفاظ على الزخم
لفهم قانون حفظ الزخم وقت التصادم، يجب معرفة أن تغير زخم الجسم 1 يساوي ويعاكس في الاتجاه زخم الجسم 2، أي أن الزخم الذي فقده الجسم 1 يساوي زخم الجسم 1. الزخم الذي يكتسبه الجسم 2، في معظم التصادمات بين جسمين، يتباطأ أحدهما ويفقد زخمه بينما تتسارع الجسم الآخر يكتسب زخما.
إذا فقد الجسم 1 75 وحدة من الزخم، فإن الجسم 2 يكتسب 75 وحدة من الزخم. ومع ذلك، فإن الزخم الإجمالي للجسمين هو نفسه قبل الاصطدام كما هو بعد الاصطدام، حيث أن الزخم الإجمالي للنظام محفوظ.
العثور على ملخص الزخم وحفظه
يعتبر قانون حفظ الزخم من أهم قوانين الفيزياء، والذي ينص على أنه عند حدوث تصادم بين الجسم 1 والجسم 2 في نظام معزول، فإن الزخم الكلي للجسمين قبل التصادم يساوي مجموع الزخم زخم الجسمين بعد الاصطدام، أي أن الزخم الذي فقده الجسم 1 يساوي الزخم الذي اكتسبه الجسم 2.
تناولنا خلال المقال معنى الزخم وكيفية قياس الزخم وبحث تفصيلي عن الزخم والاصطدامات وكذلك بحث عن الزخم والدفع ومعرفة وشرح قانون حفظ الزخم.