تعريف القصور الذاتي وتطبيقاته

يشير مصطلح القصور الذاتي (Inertia) في اللغة الإنجليزية إلى قانون نيوتن الأول للحركة، والذي ينص على أن الأجسام الثابتة تبقى ثابتة، والأجسام المتحركة تبقى متحركة إلى أن تؤثر عليها قوة خارجية.

يتم تعريف القصور الذاتي في الفيزياء بأنه “مقاومة الجسم المتحرك للسكون ومقاومة الجسم الساكن للحركة.

قانون القصور الذاتي

عند الحديث عن قوانين الحركة، فإن القصور الذاتي هو أحد أهم هذه القوانين إلى جانب ذلك، حيث يعبر عن مقاومة التغير في الحركة. ومن أمثلة ذلك: إذا قمت بدحرجة كرة، فإنها ستستمر في الحركة ما لم تتأثر بقوى الاحتكاك أو أي شيء آخر يوقفها بالقوة. ويمكن أيضا التفكير في كيفية استمرار جسمك في التحرك أثناء ركوب السيارة، وعند الضغط فجأة على الفرامل، فإنك ستظل في حالة الحركة لفترة قبل أن تعود إلى موضعها الأصلي بفعل قوة خارجية، وهي قوة المكاب.

ذكر نيوتن قصور الرياضيات الذاتي بقانونه الأول الذي ينص على أن مجموع القوى المؤثرة على أي جسم يكون يساوي الصفر إذا كانت جميع القوى المؤثرة عليه متوازنة.

 f = 0∑، حيث تمثل f القوى المؤثرة على الجسم والقوة هي قيمة متجهة.

بما أننا لا نعيش في عالم مثالي، فمن غير الممكن أن يتحرك جسم ما إلى الأبد دون تأثير قوى خارجية، وأحد أبسط أنواع هذه القوى الخارجية هي قوة الاحتكاك التي توجد في كل مكان، حتى في الهواء.

ووفقا لقوانين نيوتن، فإن تأثير القوة على الجسم يختلف بتأثير كتلته، فكلما زادت الكتلة زادت القوة المطلوبة للتأثير عليه.

بالتالي، فإن القوة (F) المطلوبة لتغيير حالة حركة الجسم تساوي ضرب كتلة الجسم (m) في التسارع الذي ينتج عن القوة (a)

f=m *a

لفهم كيفية ارتباط الكتلة بالقصور الذاتي، عليك أن تضع في اعتبارك وجود قوة ثابتة Fc تؤثر على جسمين مختلفين، الجسم الأول له كتلة m1، والجسم الثاني له كتلة m2.

عند العمل على جسم m1، يتم إنتاج قوة Fc تسبب تسارعًا بمقدار a1

(Fc = m1a1)

عند العمل على m2 ، فإنه ينتج تسارع a2:

(Fc = m2a2 )

ونظرًا لأن مقدار القوة Fc ثابت ولا يتغير في الحالتين، فإن المعادلة التالية صحيحة: m1a1 = m2a2.

إذن m1/m2=a2/a1

عندما يكون m1 > m2، فإنه يمكنك معرفة أن a2 > a1 لجعل الجانبين متساويين، والعكس صحيح.

بشكل آخر، يعتبر مقياس الكتلة مؤشرًا على مقاومة الجسم للحركة والقوة، وعلى الرغم من أن الكتلة والعزم الدوراني لا يعنيان نفس الشيء تمامًا، إلا أن العزم الدوراني عادة ما يتم قياسه بوحدات الكتلة.

في نظام SI، يتم استخدام وحدة القصور الذاتي بالجرام والكيلوجرام .

لاحظ أن مقياس القوة عند نيوتن مختلف عن معادلة برنولي التي تعبر عن القوة عن طريق المساحة والضغط.

واحدة من المصطلحات المرتبطة بالقصور الذاتي هي القوة الجاذبية المركزية، وهي تشير إلى قيمة افتراضية، على سبيل المثال عندما تربط كرة في حبل معلق من عمود وتدفع الكرة بقوة، فإنها ستتحرك في اتجاه دوراني، ووفقا لقانون نيوتن، يجب على الكرة أن تتحرك في خط مستقيم، ولكن بسبب القوة الطاردة المركزية، فإنها ستنتقل في مسار دائري.

أنواع القصور الذاتي

هناك ثلاثة أنواع مختلفة من القصور الذاتي، وتشمل:

القصور الذاتي من الراحة

في هذا المكان، يبقى الشيء في مكانه حتى يتم تحريكه أو يتأثر بشيء آخر يحركه.

القصور الذاتي في الحركة

يستمر الجسم في الحركة بسرعة معينة حتى يتأثر بقوة خارجية، على سبيل المثال، عندما تتوقف السيارة، يتحرك الجسم للأمام.

القصور الذاتي في الاتجاه

إذا لم يتأثر الجسم بقوة تغير اتجاهه، فسيظل يتحرك في الاتجاه نفسه، وهذا واضح في حالة انعطاف السيارة بشكل حاد وحركة الجسم على جانب واحد.

أمثلة على القصور الذاتي للراحة

إذا قمت بسحب المفرش بسرعة والأطباق موضوعة عليه، فسوف تبقى الأطباق في مكانها طالما كانت قوة الاحتكاك الناتجة عن حركة المفرش ضعيفة جدًا.

في حالة اصطدام سيارة متحركة بسيارة متوقفة من الخلف، سيتعرض ركاب السيارة المتوقفة للإصابة نتيجة تحرك أجسامهم للأمام بينما يظل رأسهم في الخلف، لأن الرأس يعاني من القصور الذاتي.

إذا وضعت لاصقة طبية على وجهك وأردت إزالتها، فمن الأفضل سحب اللاصقة بسرعة، حيث أن الالتصاق الذاتي سيتسبب في جعل بشرتك ساكنة لفترة، وسيكون إزالة اللاصقة أسهل.

أمثلة على القصور الذاتي من الحركة

• يواجه الرجال صعوبة في التوقف عن الحركة في الفضاء بسبب قلة الجاذبية التي تعمل ضدهم.
• عندم لعب كرة القدم وسقط اللاعب وضرب رأسه بالأرض، فإن جمجمته ستتوقف عن الحركة بعد الاصطدام، ولكن دماغه سيستمر في الحركة ويصطدم داخل جمجمته، مما يجعل المخ يبقى في حالة حركة لفترة معينة في حين يبدو رأسه ثابتًا من الخارج.
• إذا اصطدم الشخص بسيارته مباشرة بجدار من الطوب، ستتوقف السيارة بسبب القوة التي يمارسها الجدار عليها. ومع ذلك، يحتاج السائق إلى قوة لمنع جسمه من الحركة، مثل استخدام حزام الأمان. وإلا، فسوف يستمر جسم السائق في التحرك بسرعته الأصلية حتى يتأثر ببعض القوة، مثل قوة الاحتكاك مع السيارة.
• عندما يتم رمي كرة البيسبول، فإنها ستستمر في الحركة إلى الأمام حتى يتم التصرف فيها بفعل الجاذبية، وكلما زادت قوة الرمية، كلما كان من الصعب على الجاذبية التأثير عليها.

أمثلة على القصور الذاتي في الاتجاه

• يؤدي إيقاف العربة المفاجئ وهناك جسم في الأعلى إلى سقوط الجسم من مكانه، ويحدث ذلك بسبب القصور الذاتي الذي يجعل الجسم يرغب في الاستمرار في الحركة بنفس الاتجاه الذي كان عليه.
• عندما تحرك القهوة أو الشاي ويتوقف، فإن الحركة الدائرية تستمر داخل الكوب بسبب التميز الذاتي.
• إذا تم إلقاء صخرة بقوة للأمام، فإنها لن تعود أبدًا إلى الوراء مالم تواجه قوة أخرى.
• تتيح القصور الذاتي للمتزلجين على الجليد الانزلاق في خط مستقيم واحد على الجليد ما لم يقموا بالقيام بحركات معينة لتغيير اتجاههم.

تطبيقات القصور الذاتي

نظرًا لأن الهدف الأساسي للفيزياء هو فهم طبيعة حركة الأشياء، حتى تلك الأشياء التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، كان من الضروري على الإنسان استخدام فهمه لقوى القصور الذاتي في الحياة اليومية وفي فروع العلوم الأخرى.

من بين أهم التطبيقات الواقعية لقانون القصور الذاتي هي تصميم أجهزة السلامة للمركبات، بما في ذلك أحزمة الأمان التي توفر قوة خارجية تعمل على إيقاف حركة الجسم، في حالة وجود مؤثر أو تغيير مفاجئ في حركة السيارة.

تطبيقات القصور الذاتي في الفضاء

لدى الجسم الذاتي استخدامات مثيرة للاهتمام في السفر إلى الفضاء، على سبيل المثال ، بمجرد هروب المسبار من جاذبية الأرض ، فإنه سيستمر في مسار محدد حتى يصادف جاذبية أو جسما آخر، ويمكن إرسال مسابر الفضاء لمسافات بعيدة بدون حاجة لأي وقود إضافي بخلاف ما يحتاجه للهروب من جاذبية الأرض أو لإجراء تغييرات طفيفة في المسار أو الهبوط على جسم آخر.