بحث عن الدفع والزخم

في هذا المقال على موقع موسوعة، سنقدم لكم بحثًا حول الدفع والزخم، وهو أحد أهم القوانين التي يتم دراستها في علم الرياضيات والفيزياء، ويطلب المعلمون عادة من الطلاب إجراء البحوث حول هذا الموضوع، وغالبًا ما تتناول المواضيع قانون الحفاظ على الزخم وكيفية قياسه، لتعزيز فهم الطلاب لجميع مفاهيم الدفع والزخم وتأثيرهما على الأجسام من وجهة نظر نظرية وكذلك تأثيرهما على الأشخاص والأشياء.

جميع الأجسام لديها كتلة محددة وقوة خاصة بها تمكّنها من الحركة، وسيتم التركيز في هذه الدراسة على فهم مفهوم قوة الدفع والزخم وطريقة الحفاظ عليهما وأثرهما في الفيزياء وتطبيقاتهما المتعددة.

بحث عن الدفع والزخم

• إذا فرضنا أن هناك جسمين ثابتين بدون حركة ولا شيء يفصل بينهما سوى الهواء، فإن أحدهما سيتوجه نحو اليمين والآخر سيتوجه نحو اليسار، وهذا ينطبق على كافة الأنظمة المغلقة، حيث يتم الحفاظ على الزخم. ومن الأمور الهامة الإدراك بأن الزخم الكلي قبل الحدوث يساوي الصفر، لذلك بعد دفع الجسمين، يبقى الزخم كما هو ويساوي الصفر.
• عند النظر إلى كل كائن بشكل منفصل، يكون لكل منهما زخمٌ خاص به لأن كل كائن يتحرك، ولكن المجموع الكلي للزخم يكون صفرًا.
• تعتمد كمية الزخم لجميع الكائنات على متغيرين وهما سرعة الأشياء وكتلتها، ويتناسب الزخم بشكل مباشر مع السرعة والكتلة، حيث يزداد بزيادة الكتلة بمعدل يصل إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف عند الحفاظ على السرعة الثابتة، ويؤدي هذا الارتفاع في الكتلة إلى ازدياد السرعة بنفس المعدل (ضعفين أو ثلاثة أضعاف)، مع الحفاظ على الكتلة الثابتة، ومن ثم يؤدي ذلك إلى ارتفاع الزخم بمعدل يصل إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف بناءً على الزخم الأساسي للجسم.
• يتم تعبير هذا المفهوم بالمعادلة التالية (زخم الجسم = كتلة الجسم × سرعته)، (الزخم = الكتلة × السرعة)، وفيما يتعلق بالزخم، فإنه كمية غير قياسية ولكنها ذات اتجاه.

نظرية الدفع والزخم

• في نظرية الزخم والحركة، عندما يتحرك الجسم نحو اليسار، يكون لديه زخم سلبي، بينما عندما يتحرك الجسم نحو اليمين، يكون لديه زخم إيجابي. ويكونان الزخمان متعاكسان ومتساويان، لذلك عندما يتم إضافة الزخمين معًا في الحساب الكلي، يلغي كل منهما الآخر، وبذلك يمكن للجسمين أن يتحركا بحرية مع الحفاظ على الزخم الكلي الصفر.
• على سبيل المثال: من الممكن أن يكون الجسم الأول الذي تحرك نحو اليسار بسرعة عالية يليه زخم كبير بوزن -6 كجم-م/ثانية، مما يشير إلى أن الجسم الثاني الذي تحرك نحو اليمين بعد ذلك سيكون له قوة دفع نهائية تساوي ستة كيلوغرامات/متر-ثانية، ويتماثل الأمر بالشكل العكسي ويصل إلى الصفر الكلي.
• تكون اللحظة الأخيرة للحركة العكسية والمتساوية، وغالباً ما لا تكون سرعتها النهائية عكسية ومتساوية، ولكن لتكون سرعتها النهائية عكسية ومتساوية، يجب أن تكون لها كتلة متساوية، وهذا يشكل حالة خاصة، ولكن في الحالة العامة، يتحرك الجسم ذو الكتلة الأكبر ببطء أكبر بالنسبة للجسم ذو الكتلة الأصغر في مسافة معينة.
• ولذلك غالبًا ما يكون الزخم النهائي للعنصر الأول سالبًا، ويمكن في ذلك الحال احتسابه عن طريق ضرب كتلة كبيرة بسرعة صغيرة، بينما يصبح الزخم النهائي للعنصر الثاني موجبًا، حيث يمكن في ذلك الحال احتسابه عن طريق ضرب كتلة صغيرة مساوية لسرعة كبيرة.

المقصود بالزخم

• يتم التحدث والاستفسار دائمًا حول مفهوم الزخم ومعناه، ولكن يمكن فهم معنى هذا المصطلح ومبدأ الحفاظ على الزخم وما يجب فعله لتجنب تصادم الأشياء. وعلى الرغم من أن كلمة الزخم شائعة، إلا أن استخدامها لوصف اكتساب شيء للزخم يمكن أن يكون له تأثير كبير.
• يُقصد بالزخم مقدار حركة الأجسام المتحركة بالمعنى الرئيسي، فكلما زادت قوة حركة الجسم، أصبح من الصعب إيقافه، وهذا يعد سببًا في استخدام ذلك المصطلح كثيرًا في الرياضة، حيث يدل على تقدم الفريق بشكل عام، وغالبًا ما تواجه الفرق صعوبة في إيقاف الفريق المقابل الذي يتمتع بالزخم.

الحفاظ على مبادئ الزخم

• ينص مبدأ الحفاظ على الزخم على أن كائنين يتصادمان في نظام منعزل، يكون لهما عزم مشترك قبل وبعد التصادم، وبالتالي فإن الزخم لا يدمر بالتصادم، بل يتم نقله بين الكائنين في النظام المنعزل.
• وبهذا الشكل دائماً يتم الحفاظ على الزخم أثناء التصادم، وعلى سبيل المثال عندما يتم اللعب بكرة البيسبول ويتم اصطيادها من قبل اللاعب، يتم نقل الزخم من الكرة إلى اليد، ويعتمد نوع نقل الزخم على نوع التصادم، وهناك ثلاثة أنواع من التصادمات وهي التصادم غير المرن جزئياً، التصادم غير المرن تماماً والتصادم المرن.

الزخم في البيسبول

• يتم وصف الدفع والزخم على أنهما مقدار حركة جسم واحد داخل جسمٍ آخر، ويمكن ذكر لعبة البيسبول كأحد الأمثلة الرئيسية لهذه الظاهرة، حيث يتم رمي الكرة في الهواء على شكل خط مستقيم، وعندما يمسك اللاعب الكرة، يشعر بأن الزخم الذي كان في الكرة قد انتقل إليه.
• يمكن أن تدفع الكرة يد اللاعب مرة أخرى أثناء محاولته التقاطها، بينما تكون الكرة بقوة أكبر، وعلى هذا الأساس، كلما زادت القدرة على دفع اليد أثناء الالتقاط، زادت السرعة باتجاه الحركة.
• عندما يتم رمي كرتين من البيسبول في نفس الوقت، وتتحرك واحدة بسرعة خمسين ميل في الساعة والأخرى بسرعة مائة وخمسين ميل في الساعة، فإن الكرة التي تم ضربها بسرعة مائة وخمسين ميل في الساعة قدمت من مسافة خمسين ميلًا في الساعة.
• في تلك الحالة، يمكن تخيل أن الاثنين يجريان بسرعة 50 ميل في الساعة، حيث يمثل الأول لعبة البيسبول والثاني كرة لعبة البولينج، وربما لا يرغب اللاعب في إيقاف الكرة ولكنه يستمر في الجري حتى بعد أن يضربها، وستستمر كلتا الكرتين في التحرك بنفس السرعة. فهل يعود ذلك إلى صعوبة لعبة البولينج وكون كرتها أكبر حجمًا أو أثقل ولكن الأمر الأكثر أهمية هو كتلة الجسم المتحرك.

كيفية قياس الزخم

يمكن إيضاح الكيفية التي من خلالها يتم احتساب الزخم فيما يلي:

• يتم حساب الزخم بناءً على الحركة والاتجاه، وعندما يتحرك الجسم باتجاه مع الجسم الآخر في الاتجاه المعاكس، فإن الزخم يساوي صفر، وفي اللحظة الأخيرة، يكون الزخم عكسيًا ومتساويًا، على الرغم من أن السرعة النهائية قد تكون غير عكسية ومتساوية.
• يجب أن تكون كتلة الجسم متساوية لتحقيق السرعة النهائية والعكسية والمتساوية، ويمكن القول أن هذه هي الحالة الخاصة، بينما في الحالة العامة، يتحرك الجسم ذو الكتلة الأكبر بعيدًا عن الجسم ذو الكتلة الأقل ببطء.
• وطبقًا لما سبق ذكره، فإن الزخم النهائي للعنصر الأول يكون سالبًا، بينما يمكن حساب الزخم النهائي للعنصر الثاني عن طريق ضرب كتلة كبيرة بسرعة منخفضة، وبهذه الطريقة سيكون الزخم النهائي للعنصر الثاني إيجابيًا، ويمكن حسابه عن طريق ضرب كتلة صغيرة مساوية للسرعة العالية.

مفهوم الدفع بالأجسام المتحركة

• يتم تصنيف مفهوم الدفع وفقًا للظاهرة الفيزيائية التي تفسرها، حيث يمكن تغيير كمية التحرك لأي جسم بغض النظر عن نوعه، حيث تساوي كمية التحرك حاصل ضرب السرعة في الكتلة، مما يؤدي إلى تغيير الدفع وفقًا لتغير سرعة الجسم أو كتلته.
• يؤثر الوقت بشكل كبير على قوة الدفع، وأظهرت الدراسات أن الحركة تتناسب طردياً مع التغيير في القوة والزمن. كما اتفق العلماء على تسمية حاصل ضرب القوة المؤثرة في الجسم بمصطلح الدفع.
• يتم تصنيف الدفع ضمن الكميات الفيزيائية التي يتم قياسها بوحدة النيوتن في المتر، وجاء في قانون نيوتن الثالث أن لكل فعل رد فعل متساوٍ له في المقدار ومعاكسٍ في الاتجاه، ويعني ذلك أن الدفع يتوقف على الاتجاه والمقدار.

أمثلة على الدفع والزخم والطاقة الحركية

في حالة تصادم سيارتين وتوقفهما بعد الاصطدام، يمكن تفسير نتائج الحادث من خلال الفرضيات التالية:

• أولاً: هل يتم الحفاظ على الزخم بعد توقف السيارتين؟ الإجابة هي نعم، حيث إنه على الرغم من عدم وجود زخم بعد الاصطدام، فإنه لم يكن هناك زخم كامل بالأصل قبل الاصطدام. لذلك، فإن الزخم هو الكمية المتجهة، ويجب أن يكون الزخم إيجابيًا لإحدى السيارتين، ويمكن توازنه عن طريق الزخم السلبي الخاص بالسيارة الثانية.
• ثانياً: على الرغم من أن السيارتين تتوقفان، فإن الطاقة الحركية لا يمكن الحفاظ عليها، حيث إن الطاقة الحركية هي كمية قياسية وكلا السيارتين كانتا تتحركان ولديهما طاقة حركية قبل التصادم، ولكن بعد التصادم لا يوجد طاقة حركية.