الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
17الروافع وموازين الكفّتين
في السنة الماضية، على الأرجوحة المتأرجحة، وجدنا أن الوزن والمسافة كليهما يحسب — ووعدنا بقاعدة دقيقة فيها أعداد حقيقية. وقد آن أن نفي بالوعد. وفي الطريق سنرفع حجارة أثقل بكثير من أن تحملها أذرعنا، ونلقى الجهاز الذي وزن سلع العالم آلاف السنين.
17.1 الرافعة
تعريف 17.1 (الرافعة ومحور الارتكاز)
الرافعة قضيب قاسٍ يستند إلى نقطة يستطيع أن يميل حولها. وتُسمّى نقطة الاستناد محور الارتكاز. فالأرجوحة المتأرجحة رافعة؛ وكذلك العتلة تحت صخرة، ومخلب المطرقة وهو ينزع مسمارًا.
مثال 17.2 (مضاعِف القوة)
يُدخل بستانيّ قضيبًا حديديًّا طويلًا تحت صخرة كبيرة، ويُسنده إلى جذع قريب من الصخرة، ثم يضغط على طرفه البعيد — فتنقلب الصخرة، التي عجزت عشر أيدٍ عن رفعها، انقلابًا هيّنًا. وسرّ الرافعة المسافة: اضغط بعيدًا عن محور الارتكاز، فتؤدّي دفعتك الصغيرة عمل عملاق قريب منه. وتقول حكاية قديمة إن عالِمًا عظيمًا من القدماء تفاخر قائلًا: “أعطوني موضعًا أقف عليه ورافعة طويلة بما يكفي، أُحرّك الأرض.”
17.2 قاعدة الرافعة
طريقة 17.3 (أرجوحة القطع النقدية)
ابنِ أرجوحة متأرجحة مصغّرة لتصطاد القاعدة:
- وازِن مسطرة على قلم عند علامة منتصفها؛
- واستعمل قطعًا نقدية متماثلة ركّابًا، توضع عند علامات صحيحة: فقولنا “قطعة عند ” يعني أربع علامات من القلم؛
- حمّل الجانبين ولاحظ متى تتوازن المسطرة.
جرّب: قطعة عند توازن قطعة عند . وقطعتان مكدّستان عند توازنان قطعة عند . وثلاث قطع عند — توازن هي أيضًا واحدة عند !
قضية 17.4 (قاعدة الرافعة)
اضرب في كل جانب من الرافعة عددَ القطع في بُعدها عن محور الارتكاز. وتتوازن الرافعة تمامًا حين يكون للجانبين الجداء نفسه:
وإن كان جداء أحد الجانبين أكبر نزل ذلك الجانب.
مثال 17.5 (استعمال القاعدة)
أربع قطع عند العلامة : جداؤها . ولموازنتها بقطع عند العلامة نحتاج إلى جداء قدره هناك أيضًا: ، فتكفي قطعتان عند . وهل تستطيع قطعة واحدة أن توازن الأربع؟ عليها أن تجلس عند العلامة : . فكلما خفّ الراكب وجب أن يجلس أبعد — وهو بعينه ما علّمتنا إياه أرجوحة بابا، لكن بالأعداد الآن.
17.3 ميزان الكفّتين
تعريف 17.6 (ميزان الكفّتين)
ميزان الكفّتين رافعة مبنيّة للعدل: كفّتان معلّقتان على بُعدين متساويين تمامًا من محور الارتكاز. ومع تساوي البُعدين يتساوى الجداءان تمامًا حين يتساوى الوزنان — فيميل الميزان نحو الكفّة الأثقل، ويستوي حين تحمل الكفّتان حِملين متساويي الثقل.
مثال 17.7 (الوزن بالمقارنة)
باع التجّار آلاف السنين الطحين والذهب والفلفل بموازين الكفّتين: السلعة في كفّة، وقطع معدنية مرجعية صغيرة في الأخرى، ويضيفون القطع حتى تستوي الكفّتان. والميزان لا يعرف أعدادًا — إنما يجيب “أثقل” أو “أخفّ” أو “متساويان”. لكن المقارنة بقطع مختارة جيدًا كل ما تحتاج إليه سوق عادلة — وهي، كما سيبيّن آخر فصل من هذا الجزء، الطريق إلى قياس الكتلة نفسها.
ملاحظة 17.8 (افحص الميزان فارغًا)
الميزان العادل يجب أن يستوي وهو فارغ. فإن كان أحد ذراعيه أطول أو إحدى كفّتيه أثقل اختلف الجداءان قبل أن تصل السلعة أصلًا، وغشّ كل وزن بعد ذلك. وكان التجّار الأمناء يثبتون استواء ميزانهم الفارغ أمام الزبون — وهي طريقة قديمة صامتة لقول “لعب نظيف”.
17.4 تمارين
تمرين 17.1 ★
عيّن الرافعة ومحور الارتكاز في: أرجوحة متأرجحة؛ عتلة على جذع؛ مقصّ. (والمقصّ يخبّئ رافعتين — فأين يرتكزان؟)
حل
حل التمرين 17.1.
الأرجوحة: اللوح هو الرافعة، والسند الأوسط محور الارتكاز. والعتلة: القضيب هو الرافعة، والجذع محور الارتكاز. والمقصّ: كل نصل مع مقبضه رافعة، وكلاهما يرتكز على البرغي المركزي.
تمرين 17.2 ★
لرفع صخرة ثقيلة بعتلة، أتضغط قريبًا من محور الارتكاز أم بعيدًا عنه؟ ولماذا، في جملة واحدة؟
حل
حل التمرين 17.2.
بعيدًا عن محور الارتكاز: فكلما بَعُدت الدفعة كبر جداؤها — ودفعة صغيرة بعيدة تغلب صخرة ثقيلة قريبة.
تمرين 17.3 ★
على أرجوحة القطع النقدية، احسب الجداء في: قطع عند العلامة ؛ قطعة عند العلامة ؛ قطعة عند العلامة . وأيّ زوج منها يوازن الآخر؟
حل
حل التمرين 17.3.
؛ ؛ . ولا يتساوى شيء من هذه الجداءات، فلا يوازن أيّ اثنين منها الآخر.
تمرين 17.4 ★
قطعة واحدة عند العلامة على اليسار. فأين تضع من القطع على اليمين لتوازنها؟ وأين تضع قطع؟
حل
حل التمرين 17.4.
جداء اليسار . والقطعتان تحتاجان إلى : أي العلامة . والقطع الأربع تحتاج إلى : أي العلامة .
تمرين 17.5 ★
الجانب الأيسر: قطع عند العلامة . والجانب الأيمن: قطعة عند العلامة . احسب الجداءين. وأيّ الجانبين ينزل؟
حل
حل التمرين 17.5.
اليسار: . واليمين: . فجداء الجانب الأيسر أكبر، فينزل الجانب الأيسر.
تمرين 17.6 ★
لماذا تُعلَّق كفّتا ميزان الكفّتين على بُعدين متساويين تمامًا من محور الارتكاز؟ وماذا يفعل ذراع أيسر أطول بكل عملية وزن؟
حل
حل التمرين 17.6.
مع تساوي الذراعين يعني استواء الكفّتين تساوي الوزنين — فالمقارنة عادلة. أما ذراع أيسر أطول فيضرب الحِمل الأيسر في مسافة أكبر، فيكذب الميزان لصالح ذلك الجانب في كل وزن.
تمرين 17.7 ★
يستوي ميزان كفّتين وفي إحدى كفّتيه كيس كرات زجاجية وفي الأخرى قطع متماثلة. فماذا نعلم عن الكيس؟ وبماذا يجيب الميزان إن نزعنا قطعة واحدة؟
حل
حل التمرين 17.7.
الكيس يزن تمامًا قدر القطع الستّ. وبنزع قطعة واحدة تصير كفّة الكيس أثقل، فيميل الميزان نحو الكيس.
تمرين 17.8 ★
أرجوحة متأرجحة: يزن توم قدر من الأكياس ويجلس عند العلامة ؛ وتزن أخته الصغيرة قدر كيس واحد. فعند أيّ علامة يجب أن تجلس لتوازنه؟
حل
حل التمرين 17.8.
جداء توم: . وتحتاج أخته إلى : أي أن تجلس عند العلامة .
تمرين 17.9 ★
مخلب المطرقة ينزع مسمارًا: يدك تدفع طرف المقبض، بعيدًا عن الموضع الذي يستند فيه رأس المطرقة إلى الخشب. فأيّ الموضعين محور الارتكاز، ولماذا يخرج المسمار الذي لم تكن أصابعك لتنزعه أبدًا؟
حل
حل التمرين 17.9.
محور الارتكاز هو الموضع الذي يستند فيه رأس المطرقة إلى الخشب. ويدك تدفع عند طرف المقبض البعيد — أي مسافة طويلة، فجداء كبير — بينما يقاوم المسمار قريبًا جدًّا من محور الارتكاز: فالرافعة تحوّل دفعتك المريحة إلى سحبة عملاق.
تمرين 17.10 ★★
يريد الجدّ (وثقله أكياس) أن يتأرجح مع زوي الصغيرة (وثقلها كيس واحد). وعلى الأرجوحة علامات من إلى في كل جانب. جِد طريقتين مختلفتين لإجلاسهما بحيث تتوازن الأرجوحة.
حل
حل التمرين 17.10.
التوازن يقتضي . وطريقتان: الجدّ عند وزوي عند ()، أو الجدّ عند وزوي عند ().
تمرين 17.11 ★★
تاجر غشّاش يجعل أحد ذراعَي ميزانه أطول قليلًا في الخفاء، ويضع السلعة دائمًا في جهة الذراع الطويل. أينال الزبائن سلعة أكثر ممّا يدفعون أم أقلّ؟ اشرح بقاعدة الرافعة — وبما في الملاحظة 17.8.
حل
حل التمرين 17.11.
أقلّ. فعلى الذراع الطويل يصنع الحِمل الخفيف جداءً كبيرًا، فتستوي الكفّتان والسلعة تزن أقلّ من القطع الأمينة على الذراع القصير. وفحص الميزان فارغًا يفضحه: فبلا شيء في الكفّتين يميل ميزانه أصلًا نحو الذراع الطويل.