بحث عن الدفع والزخم

مقدمة البحث

الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن الفيزياء تدرس حركة الأجسام وأسبابها، ومن أهم مفاهيمها في دراسة الحركة والتصادمات مفهوما الزخم والدفع. فسيارة تتحرك ببطء وشاحنة ضخمة تتحرك بالسرعة نفسها لا يصعب إيقافهما بالدرجة نفسها، وكرة تسقط على وسادة لا تتأذى كما لو سقطت على أرض صلبة. وفي هذا البحث نتعرف على هذين المفهومين وعلاقتهما بقوانين نيوتن وتطبيقاتهما.

تعريف الموضوع

الزخم (كمية الحركة) كمية فيزيائية متجهة تعبر عن مقدار ما يحمله الجسم من حركة، ويساوي حاصل ضرب كتلة الجسم في سرعته المتجهة:

p = m v

ووحدته في النظام الدولي كيلوجرام متر لكل ثانية، واتجاهه هو اتجاه السرعة.

الدفع هو حاصل ضرب القوة المحصلة المؤثرة في جسم في الزمن الذي تؤثر فيه:

I = F Δt

ووحدته نيوتن ثانية، وهي تكافئ وحدة الزخم نفسها.

أهمية الموضوع

يفسر هذا الموضوع كثيرًا من الظواهر التي نراها يوميًا كحوادث السيارات والرياضات الكروية والصواريخ، ويُستخدم في تصميم وسائل السلامة كأحزمة الأمان والوسائد الهوائية، كما أنه يقوم على مبدأ مهم في الفيزياء هو قانون حفظ الزخم الذي يُستخدم في حل مسائل التصادم والانفجار.

أهداف البحث

• تعريف الزخم والدفع وبيان وحدة كل منهما.
• استنتاج العلاقة بين الدفع والتغير في الزخم.
• معرفة قانون حفظ الزخم وشروطه.
• التمييز بين التصادم المرن وغير المرن.
• حل مسائل بسيطة وذكر تطبيقات حياتية.

أولًا: الزخم

الزخم يعتمد على عاملين هما الكتلة والسرعة، فكلما زادت كتلة الجسم أو سرعته زاد زخمه. والزخم كمية متجهة، فتُراعى فيه الإشارة، ويعتبر الاتجاه الموجب للحركة نحو اليمين والسالب نحو اليسار مثلًا.

مثال محلول: سيارة كتلتها ألف كيلوجرام تسير بسرعة عشرين مترًا في الثانية، وشاحنة كتلتها خمسة آلاف كيلوجرام تسير بسرعة أربعة أمتار في الثانية. أيهما زخمه أكبر؟

p_car = 1000 × 20 = 20000 kg·m/s

p_truck = 5000 × 4 = 20000 kg·m/s

فزخم السيارة وزخم الشاحنة متساويان، رغم اختلاف الكتلة والسرعة.

ثانيًا: الدفع ونظرية الدفع والزخم

ينص قانون نيوتن الثاني على أن القوة المحصلة تساوي المعدل الزمني للتغير في الزخم. ومن ذلك نحصل على نظرية الدفع والزخم:

F Δt = m v_f − m v_i

أي أن دفع القوة المحصلة المؤثرة في جسم يساوي التغير في زخمه. وهذه العلاقة تفسر لنا كيف يمكن تغيير زخم الجسم بقوة كبيرة في زمن قصير أو بقوة صغيرة في زمن طويل.

مثال محلول: كرة كتلتها نصف كيلوجرام تتحرك بسرعة عشرة أمتار في الثانية، فأوقفها حارس المرمى في زمن مقداره عُشر ثانية. ما متوسط القوة المؤثرة في الكرة؟

Δp = 0 − (0.5 × 10) = −5 kg·m/s

F = Δp / Δt = −5 / 0.1 = −50 N

فمتوسط القوة خمسون نيوتن، والإشارة السالبة تعني أنها بعكس اتجاه حركة الكرة.

ثالثًا: تطبيقات الدفع في الحياة

رابعًا: قانون حفظ الزخم

ينص قانون حفظ الزخم على أن الزخم الكلي لنظام معزول يبقى ثابتًا، والنظام المعزول هو النظام الذي لا تؤثر فيه قوة خارجية محصلة. أي أن الزخم الكلي قبل التفاعل يساوي الزخم الكلي بعده:

m₁v_1i + m₂v_2i = m₁v_1f + m₂v_2f

وسبب هذا القانون هو قانون نيوتن الثالث، ففي أثناء التصادم تؤثر الجسمان في بعضهما بقوتين متساويتين في المقدار ومتعاكستين في الاتجاه ولمدة الزمن نفسها، فيكون التغير في زخم أحدهما معاكسًا للتغير في زخم الآخر.

التصادمات

• التصادم المرن: يُحفظ فيه الزخم وتُحفظ الطاقة الحركية الكلية، كتصادم كرات البلياردو تقريبًا.
• التصادم غير المرن: يُحفظ فيه الزخم فقط، ويتحول جزء من الطاقة الحركية إلى حرارة وصوت وتشوه.
• التصادم عديم المرونة: حالة خاصة من غير المرن يلتحم فيه الجسمان ويتحركان معًا بعد التصادم.

مثال محلول: عربة كتلتها كيلوجرامان تتحرك بسرعة ثلاثة أمتار في الثانية فاصطدمت بعربة ساكنة كتلتها كيلوجرام واحد، والتحمتا معًا. ما سرعتهما بعد التصادم؟

2 × 3 + 1 × 0 = (2 + 1) v

v = 6 / 3 = 2 m/s

فسرعة العربتين معًا مترين في الثانية.

الارتداد والصواريخ

عند انطلاق رصاصة من بندقية تتحرك الرصاصة إلى الأمام وترتد البندقية إلى الخلف، لأن الزخم الكلي قبل الإطلاق صفر فيجب أن يبقى صفرًا بعده، فيكون زخم البندقية مساويًا لزخم الرصاصة في المقدار ومعاكسًا له في الاتجاه. وعلى المبدأ نفسه يعمل الصاروخ، فهو يقذف غازات الاحتراق إلى الخلف بسرعة كبيرة فيكتسب زخمًا في الاتجاه المعاكس يدفعه إلى الأمام، ولذلك يعمل الصاروخ في الفضاء الخالي من الهواء.

النتائج

• الزخم يساوي الكتلة مضروبة في السرعة وهو كمية متجهة.
• الدفع يساوي القوة مضروبة في زمن تأثيرها ويساوي التغير في زخم الجسم.
• زيادة زمن التصادم تقلل القوة المؤثرة، وهو أساس وسائل السلامة.
• الزخم الكلي لنظام معزول محفوظ في التصادمات والانفجارات.
• الطاقة الحركية لا تُحفظ إلا في التصادم المرن.

التوصيات

• ربط أمثلة الدفع والزخم بحوادث الطرق، والتأكيد على ربط حزام الأمان.
• إجراء تجارب بسيطة بعربات وكرات لمشاهدة حفظ الزخم عمليًا.
• التدرب على المسائل الحسابية مع الاهتمام بإشارة الاتجاه.

الخاتمة

عرفنا في هذا البحث أن الزخم يمثل ما يحمله الجسم من حركة، وأن الدفع هو سبب تغيّره، وأن الزخم الكلي يبقى ثابتًا في الأنظمة المعزولة. وبهذه القواعد البسيطة نفسر حركة الكرة والسيارة والصاروخ، ونفهم لماذا تنقذ الوسادة الهوائية حياة الإنسان، وهذا مما يدل على إحكام الله تعالى لقوانين هذا الكون وإمكان فهمها بالعلم.

المراجع

• كتب الفيزياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• الفيزياء الجامعية، يونغ وفريدمان.
• أساسيات الفيزياء، هاليداي وريسنيك ووكر.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، الدفع والزخم