الفيزياء · المسرد

ما معنى العزم حول نقطة؛ وحول محور؟

تعريف 15.1 الفيزياء الجامعية — السنة الأولى · الفصل 15 — العزم الحركي

إن عزم (أو عزم دوران) قوة حول نقطة OO، إذا كانت القوة F\vect F مؤثرة في MM، هو المتجهة

MO(F)=OMF(Nm),\vect{\mathcal M}_O(\vect F) = \vect{OM}\wedge\vect F \qquad (\mathrm{N}\,\mathrm{m}),

وهي عمودية على مستوي OM\vect{OM} و F\vect F، ومعيارها OMFsinα=FdOM\cdot F\sin\alpha = F\,d، حيث dd — وهو ذراع الرافعة — هو بعد OO عن حامل F\vect F. أما العزم حول محور موجَّه Δ\Delta (متجهته الواحدية eΔ\vect e_\Delta) يمرّ بالنقطة OO فهو المقدار السلّمي MΔ=MOeΔ\mathcal M_\Delta = \vect{\mathcal M}_O\cdot\vect e_\Delta، وهو مستقل عن اختيار OO على Δ\Delta؛ ويتلاشى إذا كانت F\vect F موازية للمحور Δ\Delta أو قاطعةً له. وقوتان متعاكستان على حاملين مختلفين تشكّلان مزدوجة عزمها FAB\vect F\wedge\vect{AB} هو نفسه حول كل نقطة.

عزم F حول O: أي الجداء المتجهي OM F، ومعياره F\,d حيث d بعد O عن الحامل (وهو ذراع الرافعة)، وهو موجَّه عموديًّا على الشكل — أي هنا نحو القارئ.
عزم F\vect F حول OO: أي الجداء المتجهي OMF\vect{OM}\wedge\vect F، ومعياره FdF\,d حيث dd بعد OO عن الحامل (وهو ذراع الرافعة)، وهو موجَّه عموديًّا على الشكل — أي هنا نحو القارئ.

أمثلة

مثال 15.2 (الباب)

دفعٌ مقداره 20N20\,\mathrm{N} عمودي على باب على بعد 0.80m0.80\,\mathrm{m} من المفصلات عزمه 16Nm16\,\mathrm{N}\,\mathrm{m} حول محور المفصلة؛ والدفع نفسه عند 0.10m0.10\,\mathrm{m} عزمه 2Nm2\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}؛ وعلى امتداد الباب (فحامله يمرّ بالمفصلات) عزمه معدوم. أما ردّ فعل المفصلة نفسها، وهو يقطع المحور، فلا عزم له حوله: وذلك ما يجعل المحور الموضع الطبيعي لأخذ العزوم.

مثال 15.6 (البندول بالعزوم)

بندول بسيط، ومحور Δ\Delta يمرّ بنقطة التعليق عموديًّا على مستوي التأرجح: يكون LΔ=m2θ˙L_\Delta = m\ell^2\dot\theta؛ والشدّ يقطع المحور (فلا عزم له)، وعزم الوزن هو mgsinθ-mg\ell\sin\theta (وذراع الرافعة sinθ\ell\sin\theta، وهو مُعيد). فتعطي المبرهنة m2θ¨=mgsinθm\ell^2\ddot\theta = -mg\ell\sin\theta، أي معادلة المثال 12.12 دون كتابة الشدّ أصلًا — وهي الميزة الكبرى للعزوم: فالقوى المارّة بالمحور تختفي.

مثال 15.10 (المتزلجة)

بذراعين ممدودتين يكون لجسم المتزلجة J4kgm2J \approx 4\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2} مضافًا إليه ذراعان كتلة كلٍّ منهما 3kg3\,\mathrm{kg} على بعد 0.8m0.8\,\mathrm{m}: أي J1=4+2×3×0.64=7.8kgm2J_1 = 4 + 2 \times 3 \times 0.64 = 7.8\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2}. وبذراعين مضمومتين (على 0.2m0.2\,\mathrm{m}): J2=4.2kgm2J_2 = 4.2\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2}. ولا عزم لردّ فعل الجليد ولا للوزن حول المحور الشاقولي: فينحفظ JωJ\omega ويرتفع معدل الدوران بالعامل J1/J2=1.85J_1/J_2 = 1.85 — من 22 إلى 3.73.7 دورة في الثانية — بينما ترتفع الطاقة الحركية بالعامل نفسه، وتدفعه العضلات وهي تضمّ الذراعين.

اقرأ في الفصل ←