الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
35السرعة: المسافة والزمن
“أنا أسرع!” — “لا، بل أنا!” وكل ساحة لعب تحسم هذا بالطريقة الأمينة: اصطفّا، استعدّا، انطلقا. لكن كيف تقارن راكب درّاجة بعدّاء تسابق أمس، على طريق أخرى؟ السرعة هي كيف تحسم الفيزياء سباقات لا يمكن أن تُجرى جنبًا إلى جنب أبدًا.
35.1 طريقتان للفوز في سباق
قضية 35.1 (قواعد السباق العادل)
طريقتان أمينتان لمقارنة السريع بالبطيء:
- على المسافة نفسها، يحتاج الأسرع إلى زمن أقلّ — فأول من يعبر الخطّ يفوز بسباق العَدو؛
- في الزمن نفسه، يقطع الأسرع مسافة أكبر — فبعد دقيقة واحدة يكون السبّاح الأسرع أبعد ببساطة.
المسافة نفسها أو الزمن نفسه: ثبّت أحدهما وقارن الآخر. أما المقارنة وكلاهما مختلف — “قطعتُ مسافة أبعد!” “لكنك جريت بعد الظهر كله!” — فلا تحسم شيئًا.
مثال 35.2 (غير عادل وعادل)
قطعت لينا بالدرّاجة؛ وقطع ماركو . أفهو أسرع؟ لا سبيل إلى معرفة ذلك — فلعلّه ركب ثلاثة أضعاف المدة. لكن إذا ركب كلاهما ساعة واحدة بالضبط صارت المقارنة عادلة: الزمن نفسه ومسافة أكبر، فماركو أسرع. وعبارة “في ساعة واحدة” الصغيرة هذه توشك أن تصير عبارتنا المفضّلة.
35.2 السرعة: المسافة في ساعة واحدة
تعريف 35.3 (السرعة)
سرعة مسافر منتظم هي المسافة التي يقطعها في حصة ثابتة من الزمن — ساعة واحدة عادةً. فقولنا “تقطع هذه السيارة كيلومترًا في كل ساعة” يسمّي سرعتها؛ والماشي النشيط يقطع نحو كيلومترات في كل ساعة، وراكب درّاجة السباق . وللزاحفات نستعمل حصصًا ألطف: فالحلزون يقطع نحو أمتار في كل ساعة.
طريقة 35.4 (كيف تقيس سرعتك)
- قِس أو جِد امتدادًا طوله بالضبط (وكثير من مضامير الرياضة يعلّم واحدًا)؛
- وامشِه بخطوتك الطبيعية بينما يقيس صديق زمنك — ولنفرض أنه استغرق دقيقة واحدة؛
- والساعة تسع دقيقة كهذه، فتقطع في ساعة ؛
- وبالكيلومترات: سرعتك في المشي كيلومترات في كل ساعة.
وأعِد ذلك عَدوًا وقارن — فأكثر الأطفال يضاعفون سرعتهم تقريبًا.
35.3 توقّع المسافات
قضية 35.5 (المسافة من السرعة)
المسافر المنتظم يقطع مسافة ساعته الواحدة من جديد في كل ساعة تالية. ومن ثمّ:
فسيارة تقطع كيلومترًا في كل ساعة تقطع في ساعات .
مثال 35.6 (حسابات الرحلات)
الماشي عند كيلومترات في كل ساعة، خارجًا ساعة: . وراكب الدرّاجة عند كيلومترًا في كل ساعة، راكبًا ساعات: . والطائرة عند كيلومتر في كل ساعة، طائرةً ساعات: — قارّة تُعبَر بين وجبتين.
ملاحظة 35.7 (الانتظام تبسيط)
المسافرون الحقيقيون نادرًا ما ينتظمون: فالسيارة تبطئ في القرى، وراكب الدرّاجة يطير نازلًا ويكدح صاعدًا، وأنت تتمهّل عند المخبز. وحساباتنا تتظاهر بأن الرحلة كلها تجري بوتيرة واحدة أمينة — وهو تظاهر نافع، يكفي للتخطيط. أما كيف نكون أمناء في رحلة ذات وتائر كثيرة — وما معنى “المتوسط” حقًّا — فقصة لسنة لاحقة، حين تملك الرياضيات المناسبة.
مثال 35.8 (قراءة السرعات من حولك)
لافتات الطرق ولوحات السيارات تتكلّم بالكيلومترات في الساعة الواحدة — فاللافتة المستديرة التي عليها تقول للسائقين: اقطعوا كيلومترًا في كل ساعة على الأكثر، وهي وتيرة اختيرت حتى يبقى في الوسع تفادي طفل يجري وراء كرة. وقد تتباهى شاشة قطار السرعة العالية بالعدد ؛ أما لافتات المشاة في الجبال فتفضّل الساعات على الكيلومترات — “البحيرة: ساعتان” — واثقةً بأن الماشي يعرف سرعته هو.
35.4 تمارين
تمرين 35.1 ★
اذكر الطريقتين العادلتين لمقارنة السريع بالبطيء. ولماذا لا تثبت عبارة “جريتُ أبعد منك” وحدها شيئًا؟
حل
حل التمرين 35.1.
المسافة نفسها — فيفوز الزمن الأقلّ؛ والزمن نفسه — فتفوز المسافة الأكبر. أما “جريتُ أبعد” فلا يثبّت شيئًا منهما: فمع اختلاف الأزمنة لا تثبت المسافة الأكبر شيئًا عن السرعة.
تمرين 35.2 ★
سبّاحان يعبران المسبح نفسه؛ فتحتاج آنا إلى ثانية ويحتاج بو إلى . فأيّهما أسرع، وبأيّ قاعدة من قواعد السباق العادل؟
حل
حل التمرين 35.2.
بو — المسافة نفسها (مسبح واحد) وزمن أقلّ ( ثانية): وهي القاعدة الأولى.
تمرين 35.3 ★
بعد ساعة واحدة قطع جرّار وقطعت درّاجة نارية . فأيّهما أسرع، وبأيّ قاعدة؟
حل
حل التمرين 35.3.
الدرّاجة النارية — الزمن نفسه (ساعة واحدة) ومسافة أكبر ( كيلومترًا): وهي القاعدة الثانية.
تمرين 35.4 ★
ماذا يعني قولنا “يقطع هذا القطار كيلومتر في كل ساعة”؟ وكم يبلغ في ساعة؟ وفي نصف ساعة؟
حل
حل التمرين 35.4.
يقطع في كل ساعة . وفي ساعة: . وفي نصف ساعة: نصف ، أي .
تمرين 35.5 ★
رتّب بحسب السرعة: ماشٍ ( كيلومترات في كل ساعة)؛ حمامة ( كيلومترًا في كل ساعة)؛ حلزون ( أمتار في كل ساعة)؛ حافلة مدينة ( كيلومترًا في كل ساعة).
حل
حل التمرين 35.5.
الحلزون ( أمتار في كل ساعة)، فالماشي ( كيلومترات)، فحافلة المدينة ()، فالحمامة ( كيلومترًا في كل ساعة).
تمرين 35.6 ★
تتمشّى معلَّمة في دقيقة. فكم مترًا تقطع في ساعة بتلك الوتيرة؟ وقل سرعتك بالكيلومترات في كل ساعة.
تمرين 35.7 ★
تحفظ سيارة كيلومترًا في كل ساعة مدة ساعات. فكم تسافر؟ وراكب درّاجة عند كيلومترًا في كل ساعة في الساعات الثلاث نفسها؟
حل
حل التمرين 35.7.
السيارة: . وراكب الدرّاجة: .
تمرين 35.8 ★
في بيان الرحلات في الفصل، كيف تكتشف المسافر الأسرع بنظرة واحدة؟ واقرأ منه: كم قطع راكب الدرّاجة بعد ساعة؟
حل
حل التمرين 35.8.
خطّ المسافر الأسرع يصعد أشدّ انحدارًا. وبعد ساعة يقف خطّ راكب الدرّاجة عند .
تمرين 35.9 ★★
عبّارة تقطع كيلومترًا في كل ساعة. والعبور . باستعمال القضية 35.5 بالمقلوب — وجرّب الساعات واحدة واحدة — كم يستغرق العبور؟
حل
حل التمرين 35.9.
ساعةً بعد ساعة: ، ثم ، ثم — فبعد ساعات تكون العبّارة قد قطعت بالضبط: فالعبور يستغرق ساعات.
تمرين 35.10 ★★
بين مدينتين . تنطلق مارا من إحداهما بدرّاجتها عند كيلومترًا في كل ساعة؛ وفي اللحظة نفسها ينطلق جون من الأخرى نحوها عند كيلومترات في كل ساعة. فبكم كيلومترًا تتقلّص المسافة بينهما في كل ساعة؟ وبعد كم ساعة يلتقيان؟
حل
حل التمرين 35.10.
في كل ساعة تُغلق مارا ويُغلق جون : فتتقلّص المسافة بمقدار في كل ساعة. ومن تبلغ الصفر بعد ساعة — فيلتقيان على بعد من مدينة مارا.
تمرين 35.11 ★★
الحكاية القديمة، بالأعداد: طول السباق . يجري الأرنب مترًا في كل دقيقة — لكنه بعد دقيقة واحدة من الجري يقف لقيلولة مدتها دقيقة، ثم يواصل الجري. وتدبّ السلحفاة متر في كل دقيقة ولا تقف أبدًا. فأين يكون الأرنب حين يبدأ قيلولته؟ وفي أيّ لحظة يعبر كل واحد منهما خطّ النهاية؟ ومَن يفوز؟
حل
حل التمرين 35.11.
بعد دقيقة الجري الواحدة يقف الأرنب عند — في منتصف الطريق — وينام. والسلحفاة تحتاج إلى دقيقة فتنهي عند اللحظة . ويستيقظ الأرنب عند اللحظة ، فيجري الأخيرة في دقيقة واحدة، وينهي عند اللحظة . فتفوز السلحفاة بفارق دقيقة — الثبات يغلب السرعة، وبالحساب هذه المرة.