الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادرًا على تحليل الحركة الدائرية في المستويين الأفقي والرأسي، وحساب القوى في نقاط مختلفة من المسار.
شرح الدرس
الحركة الدائرية الأفقية (المستوى الأفقي):
مثال: سيارة في منعطف، كرة بخيط أفقي. المركّب الأفقي من ردّ الفعل (أو الاحتكاك أو الشد) يُوفّر القوة المركزية:
الحركة الدائرية الرأسية (المستوى الرأسي):
مثال: حلقة عمودية، جسم بخيط رأسي.
في أعلى الحلقة: الوزن والشد معًا نحو المركز (للأسفل):
N + mg = mv²_top/rللشرط الأدنى: N = 0 ← v_min = √(gr)
في أسفل الحلقة: الشد نحو المركز (لأعلى)، الوزن عكسه:
N − mg = mv²_bottom/rلذا: N_bottom > N_top دائمًا.
أسئلة تدريبية
1. سيارة كتلتها 1200 كجم تسلك منعطفًا دائريًا أفقيًا نصف قطره 60 م. أقصى قوة احتكاك 6000 ن. ما أقصى سرعة بأمان؟
عرض الإجابة
Fc = mv²/r ← 6000 = 1200×v²/60 ← v² = 6000×60/1200 = 300 ← v = √300 ≈ 17.3 م/ث.
2. جسم كتلته 0.5 كجم مربوط بخيط طوله 1 م ويدور في مستوى رأسي. في أعلى الدائرة سرعته 4 م/ث. احسب شد الخيط. g = 10 م/ث²
عرض الإجابة
T + mg = mv²/r ← T = m(v²/r − g) = 0.5×(16/1 − 10) = 0.5×6 = 3 ن.
3. بإكمال السؤال السابق، احسب شد الخيط في أسفل الدائرة إذا كانت السرعة 6 م/ث.
عرض الإجابة
T − mg = mv²/r ← T = m(v²/r + g) = 0.5×(36/1 + 10) = 0.5×46 = 23 ن.
4. ما السرعة الدنيا اللازمة لجسم كتلته 2 كجم ليُكمل دائرة رأسية نصف قطرها 2.5 م دون أن ينفصل الخيط في أعلى الدائرة؟ g = 10 م/ث²
عرض الإجابة
عند N = 0: v_min = √(gr) = √(10×2.5) = √25 = 5 م/ث.
5. شخص كتلته 70 كجم يقف داخل حلقة فلكية نصف قطرها 10 م تدور في مستوى رأسي. في أسفل الحلقة سرعته 15 م/ث. ما وزنه الظاهري هناك؟ g = 10 م/ث²
عرض الإجابة
N = m(v²/r + g) = 70×(225/10 + 10) = 70×(22.5+10) = 70×32.5 = 2275 ن. (أكبر من وزنه الطبيعي 700 ن).
6. في أعلى حلقة فلكية (نفس بيانات السؤال السابق، سرعة 10 م/ث)، ما وزن الشخص الظاهري؟
عرض الإجابة
N = m(v²/r − g) = 70×(100/10 − 10) = 70×(10−10) = 0. الشخص في حالة انعدام الوزن تمامًا!
7. طريق مرتفع في المنتصف (محدّب) نصف قطر تقوسه 80 م. سيارة كتلتها 1000 كجم تسير بسرعة 20 م/ث. احسب قوة رد فعل الطريق على السيارة. g = 10 م/ث²
عرض الإجابة
في القمة: mg − N = mv²/r ← N = m(g − v²/r) = 1000×(10 − 400/80) = 1000×(10−5) = 5000 ن.
8. ما السرعة القصوى التي يمكن للسيارة في السؤال السابق السير بها دون أن تفقد تلامسها مع الطريق؟
عرض الإجابة
تفقد التلامس عند N = 0: g = v²/r ← v = √(gr) = √(10×80) = √800 ≈ 28.3 م/ث.
9. لماذا يشعر راكب سيارة بانزياح نحو الخارج عند الدوران في منعطف؟
عرض الإجابة
ما يشعر به ليس قوة حقيقية، بل هي خاصية القصور الذاتي — الجسم يميل للاستمرار في حركته المستقيمة. السيارة تلتف للداخل بينما الجسم يريد الاستمرار للأمام، فيُحس الراكب كأنه يُدفع للخارج.
10. جسم يدور في مستوى رأسي. أثبت أن شد الخيط في أسفل الدائرة أكبر منه في أعلاها بمقدار 6mg (إذا افترضنا حفظ الطاقة والسرعة تتغير).
عرض الإجابة
حفظ الطاقة: ½mv²_b = ½mv²_t + mg(2r) ← v²_b = v²_t + 4gr. أسفل: T_b − mg = mv²_b/r. أعلى: T_t + mg = mv²_t/r. طرح: T_b − T_t = mg + mg + m(v²_b − v²_t)/r = 2mg + m×4gr/r = 2mg+4mg = 6mg ✓.
11. دراجة نارية تتحرك داخل أسطوانة عمودية (حائط الموت) نصف قطرها 5 م. الحد الأدنى من السرعة للحفاظ على التلامس؟ g = 10 م/ث²
عرض الإجابة
الاحتكاك يحمل وزن الدراجة: μN = mg. القوة المركزية: N = mv²/r. إذن: μmv²/r = mg ← v² = gr/μ. بافتراض μ = 1: v_min = √(gr) = √(10×5) = √50 ≈ 7.07 م/ث.
12. ملخصًا: ما الفرق الجوهري بين الحركة الدائرية في المستوى الأفقي والرأسي من حيث القوى المؤثرة؟
عرض الإجابة
في الأفقي: وزن الجسم عمودي على مستوى الدوران فلا يدخل في معادلة القوة المركزية مباشرةً. في الرأسي: وزن الجسم في نفس مستوى الدوران فيُضاف أو يُطرح من القوة المركزية حسب موضع الجسم (أعلى/أسفل/أي نقطة على المسار).