تصوير الحركة

الموضوع اليوم عن كيف نصف الحركة. في البداية، نحتاج أن نكون دقيقين في وصف حركة الأجسام من حولنا، بدل أن نقول "سريعة" أو "بطيئة" بشكل عام.

الطريقة التي نعتمدها في الفيزياء لوصف حركة جسم هي أن نمثّل الجسم بنقطة صغيرة، ونتجاهل شكله وأبعاده. هذا يسمّى "نموذج الجسيم النقطي". تخيّل أن عندك سيارة تتحرك، نحن لا نهتم بلون السيارة أو موديلها أو حجمها، فقط نرسمها كنقطة. هذه النقطة هي التي تتحرك، ونحن نتابع هذه النقطة.

بعد ذلك، نرسم سلسلة من هذه النقاط المتتالية في صور متتالية، بحيث يكون بين كل صورة وصورة فترة زمنية متساوية. هذه المجموعة من الصور المتتالية تسمى "المخطط التوضيحي للحركة". لو نظرت إلى الشكل 2-2 ستجد دراجة هوائية، وترى أن الدراجة تتغير من مكانها في كل صورة، لكن بين كل صورتين نفس الفترة الزمنية.

من هذا المخطط نستطيع أن نفهم الحركة. مثلاً، إذا كانت المسافة بين النقاط متساوية في كل مرة، فهذا يعني أن الجسم يقطع مسافات متساوية في أزمنة متساوية. عندما يحدث هذا، نقول إن سرعة الجسم ثابتة.

المخطط التوضيحي للحركة يعطينا فكرة واضحة عن مسار الجسم، هل هو خط مستقيم، أو منحني، وهل سرعته ثابتة أو متغيرة.

أمامنا الآن تجربة استهلالية. هنا نتساءل: كيف نتأكد أن اللاعبين في سباق سيارات يتنافسون بإنصاف؟ وهل هناك طريقة نعرف بها مَن يفوز؟ الخطوات الأربعة تقول: أولًا: نختار سيارة السباق التي تعمل بالتحكم عن بُعد، ونضعها على طاولة المختبر، أو أي سطح آخر يسمح لها بالحركة. ثانيًا: نحدد خط البداية. ثالثًا: نعيّن نهايتي السباق، وهما النقطتان اللتان تكون السيارة عنده لا تتحرك. رابعًا: نجعل السيارة تتحرك من خط البداية إلى نهايته. خامسًا: نكرر الخطوات الثلاث الأخيرة مرة واحدة، ونأخذ البيانات من السيارتين، ثم نستنتج أي السيارات أسرع.

بعد هذه التجربة، نصل إلى أهداف الدرس:

1. نصف حركة جسم باستخدام المخططات التوضيحية والرسوم البيانية والمعادلات الرياضية.
2. نرسم نموذج الجسيم النقطي لتمثيل حركة جسم. المفردات الجديدة هي: المخطط التوضيحي للحركة، ونموذج الجسيم النقطي.

هناك أنواع مختلفة من الحركة. ربما يبدو أن حركة السيارة أو راكب الدراجة أو الكرة المرتفعة مختلفة تمامًا. لكن هل تتحرك كل هذه الأشياء بشكل منتظم؟ عندما نلاحظ شكلًا ما يتحرك، نرى أنه قد يقطع مسافات متساوية في أزمنة متساوية، أو مسافات غير متساوية. انظر إلى الشكل: هذه الدراجة تبعد مسافات متساوية في أزمنة متساوية، ما يعني أنها تتحرك بسرعة ثابتة. لو أردنا وصف حركة أي جسم، يجب أن نعرف مكانه وزمان حركته.

المخطط التوضيحي للحركة: تخيل أننا نأخذ صورًا متعددة لشيء يتحرك في فترات زمنية متساوية. انظر إلى الشكل: هذه الصور المتتابعة تظهر مكان الدراجة في أوقات مختلفة. كل صورة تمثل موقع الدراجة في لحظة معينة. نطلق على هذه المجموعة من الصور "المخطط التوضيحي للحركة". انظر إلى الشكل: الصور تظهر الدراجة في فترات زمنية متساوية، ومواقعها تحدد الحركة. إذا كانت المسافات بين الصور متساوية، فالحركة تكون بسرعة ثابتة.

نموذج الجسيم النقطي: عندما نرى شخصًا يركض، نتجاهل حركة أذرعه وأرجله، ونركز فقط على نقطة واحدة في منتصف جسمه. هذه النقطة تمثل حركة الجسم. هذا ما نسميه "نموذج الجسيم النقطي". انظر إلى الشكل: يوضح نموذج الجسيم النقطي لحركة هذا الرجل. كل نقطة تمثل موقع الجسم في لحظة معينة. يجب أن يكون الجسم صغيرًا جدًا مقارنة بالمسافة التي يقطعها. فائدته أننا نرتب هذه النقاط المتتابعة في فترات زمنية منتظمة في صورة واحدة، لتعطينا توضيحًا لحركة الجسم. انظر إلى الشكل: يوضح نموذج الجسيم النقطي لسيارة تسير بسرعة ثابتة. هذا النموذج يمثل السيارة كنقطة واحدة، والمسافات بين النقاط متساوية لأن السرعة ثابتة.

نأخذ مثالًا محلولًا: لدينا دراجة تتحرك على طريق مستقيم. المطلوب: ارسم المخطط التوضيحي للحركة لهذه الدراجة.

الخطوات:

1. اختر الفترة الزمنية المناسبة: ما هي الفترة الزمنية التي سنأخذ فيها الصور؟ يجب أن تكون مناسبة لتوضيح الحركة. مثلًا، كل ثانية.
2. ارسم نقاطًا لتمثيل الدراجة: في كل ثانية، نضع نقطة تمثل موقع الدراجة.
3. ضع النقاط على خط مستقيم: بما أن الدراجة تسير على طريق مستقيم، فسنضع النقاط على خط مستقيم.
4. لاحظ المسافات بين النقاط: إذا كانت الدراجة تسير بسرعة ثابتة، فالمسافات بين النقاط ستكون متساوية. أما إذا كانت تزيد سرعتها، فالمسافات ستزداد. وإذا كانت تبطئ، فالمسافات ستقل.
5. ارسم الأسهم: نرسم سهمًا من كل نقطة إلى النقطة التالية لندل على اتجاه الحركة.

الأخطاء الشائعة:

• تجاهل الفترة الزمنية: بعض الطلاب ينسون أن المسافات بين النقاط يجب أن تتناسب مع الفترة الزمنية. بمعنى، إذا كانت الفترة الزمنية قصيرة جدًا، قد لا تظهر الحركة بوضوح. وإذا كانت طويلة جدًا، قد نفقد تفاصيل الحركة.
• الخلط بين المخطط التوضيحي ونموذج الجسيم النقطي: المخطط التوضيحي هو مجموعة صور متتابعة. نموذج الجسيم النقطي هو تبسيط هذا المخطط إلى نقاط.
• عدم مراعاة الاتجاه: قد ينسى البعض وضع الأسهم التي توضح اتجاه الحركة.

أسئلة للتدريب:

1. سيارة سباق تتسارع من السكون. ارسم نموذج الجسيم النقطي لهذه السيارة.

   • الإجابة: بما أن السيارة تتسارع، فإن المسافات بين النقاط في نموذج الجسيم النقطي ستكون متزايدة، مما يدل على أن السيارة تقطع مسافات أكبر في الفترات الزمنية المتساوية.

2. طائر يحلق بسرعة ثابتة في اتجاه واحد. ارسم نموذج الجسيم النقطي لهذا الطائر.

   • الإجابة: بما أن الطائر يحلق بسرعة ثابتة، فإن المسافات بين النقاط في نموذج الجسيم النقطي ستكون متساوية، مما يدل على أن الطائر يقطع مسافات متساوية في الفترات الزمنية المتساوية.