الوزن وانعدام الوزن

تشاهد أحياناً ظاهرة فيزيائية مدهشة تسمى انعدام الوزن عندما تكون الأجسام متسارعة. ومع أننا سنؤجل مناقشة انعدام الوزن في السفن الفضائية أثناء الدوران في أفلاكها إلى ما بعد مناقشة الحركة في دائرة ، إلا أننا نناقش هنا أمثلة أخرى لانعدام الوزن. ويمكن تفهم هذه الظاهرة فهماً عميقاً بدراسة حالة جسم معلق في سقف مصعد كما هو مبين بالشكل 1)). وفي هذا المثال تمثل قراءة الميزان الزنبركي ما يسمى عادة وزن الجسم. ونظراً لأننا عرفنا الوزن بأنه قوة الجاذبية المؤثرة على الجسم ، يمكننا تسمية قراءة الميزان الزنبركي هنا بالوزن الظاهري للجسم.

يوضح المخطط البياني للجسم الحر المبين بالشكل 1)ب) القوى المؤثرة على الدلو وهم اثنان فقط: قوة الجاذبية ( وزن الدلو) W وقوة الشد إلى الأعلى ، ولتكن T، التي يشد بها الخطاف الدلو *. وحيث أن شد الخطاف إلى أعلى يساوي قراءة الميزان، إذن الوزن الظاهري للدلو يساوي هذه القيمة.

الشكل 1))

الحالة 1: المصعد ساكناً

حيث أن a_y = 0 في هذه الحالة ، تتحول المعادلة F_y = ma_yΣ. إلى

 ΣF_y=0           أو T-W= 0

إذن T = W وتكون قراءة الميزان W، هذا يعني أن الوزن الظاهري للدلو يساوي قوة الجاذبية المؤثرة عليه.

الحالة 2: المصعد متحركاً بسرعة ثابتة

حيث أن السرعة ثابتة تكون العجلة صفراً ، ومن ثم فإن التحليل السابق استخدامه في الحالة 1 ينطبق هنا أيضاً وتكون قراءة الميزان W ، أي ان الوزن الظاهري يساوي الوزن الفعلي.

الحالة 3: المصعد متسارعاً إلى أعلى

لنرمز للعجلة بالرمز .a_y فإذا اعتبرنا الاتجاه الرأسي إلى أعلى اتجاها موجباً فإن العلاقة ΣF_y = ma_y تأخذ الصورة :                                      

 T-W = ma_y

ومنه نجد أن :

T=W + ma_y =الوزن الظاهري

ويكون الوزن الظاهري للدلو هنا اكبر من قيمته عند السكون. هذا يعني أن الخطاف يجب أن يعادل قوة الجاذبية وأن يعطي بالإضافة إلى ذلك قوة إضافية غير متزنة قدرها T – W إلى أعلى حتى يسبب العجلة الرأسية إلى أعلى ( لاحظ مدى أهمية تعريف اتجاه موجب للقوى والعجلة).

الحالة 4: المصعد متسارعاً إلى أسفل

إذا اعتبرنا الاتجاه إلى أعلى موجباً كما في الحالة السابقة تصبح العجلة سالبة هنا.

ومن العلاقة ΣF_y = ma_y نجد أن :

T-W= -ma_y

ومنه :

T=W + ma_y =الوزن الظاهري

من الواضح ان الوزن الظاهري للدلو في هذه الحالة أقل من قوة الجاذبية المؤثرة عليه.

من الحالات الهامة أيضاً حالة السقوط الحر الجسم حيث تكون عجلة الحركة مساوية لعجلة الجاذبية ، a_y= g. وحيث أن W = mg فإن :

 T = mg – mg = 0

وبذلك يظهر الدلو " عديم الوزن "  عندما يكون الدلو في حالة سقوط الحر يكون الميزان في نفس الحالة ، ولن يستطيع الخطاف المتصل بالدلو عديم الوزن. هذه النتيجة صحيحة أيضاً حتى إذا كنا نستخدم ميزاناً لقياس وزن الدلو . ففي ظروف السقوط الحر يكون طرفا الميزان (والدلو الموضوع عليه) متحركين بنفس العجلة g، ولن يحتاج اتزان قضيب الميزان إلى أي أثقال .

بالرغم من أن هذا الموقف افتراضي فإنه يوح بالتأكيد أن الوزن الظاهري لجسم يعتمد وبصورة حرجة على عجلته. وعموماً يمكن تلخيص انعدام الوزن أثناء السقوط الحر كما يأتي :

يكون الجسم عديم الوزن ( ذي وزن ظاهري يساوي الصفر) طالماً كانت قوة الجاذبية هي القوة الوحيدة المؤثرة على الجسم.

أن هذا الشرط ينطبق أيضاً على الأقمار الصناعية وجميع محتوياتها في المدارات الجاذبية حول الأرض ( أو الكواكب أخرى على السواء).إذن، مع أننا نعرف الوزن بأنه قوة الجاذبية المؤثرة على الجسم، يجب أن تتذكر أن الوزن المقاس، والذي نسميه الوزن الظاهري، يختلف عن هذه القوة إذا كان الجسم الذي يقوم بوزنه متسارعاً. ولكن هذه العجلة تكون صفراً في غالبية الحالات التي نتعرض لها.

_______________________________________

مواضيع ذات صلة

أنظمة لأكثر من جسيم واحد

كمية التحرك الزاوية والقوة المركزية

الحركة الدورانية

امثلة عن الاتزان الاستاتيكي للأجسام الممتدة

الاتزان الاستاتيكي للأجسام الممتدة

تعريف العزم

تذبذبات صغيرة لبندول

اعتبارات الطاقة في الحركة التوافقية البسيطة

الحل الهندسي للمعادلة التفاضلية للحركة التوافقية البسيطة، دائرة المرجع

الحل باستخدام حساب التفاضل والتكامل

قانون هوك والمعادلة التفاضلية للحركة التوافقية البسيطة

القدرة ووحدات الشغل