ما هي الحركة الدائرية؟
تُعرف الحركة الدائرية بأنها حركة جسم يدور على مدار دائري. ويمكن تصنيف هذه الحركة إلى نوعين: منتظم وغير منتظم. من بين أكثر الأمثلة شيوعًا على الحركة الدائرية نجد الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض، والمراوح السقفية الدوارة، وعجلات السيارات المتحركة، وكذلك الشفرات الموجودة في الطواحين الهوائية. يُطلق على الجسم اسم “جسم في حركة دائرية” حين يتحرك على طول محيط مدار دائري. ومن العناصر الهامة في الحركة الدائرية هو أن اتجاه الحركة يتغير باستمرار، بخلاف الحركة الخطية. فيما يلي نظرة على بعض المتغيرات الزاوية المتعلقة بالحركة الدائرية:
الإزاحة الزاوية
تعبر الإزاحة الزاوية عن الزاوية التي يدور بها جسم دوار خلال وحدة الزمن، وتمثل بواسطة “∆θ” وتُقاس بوحدة الراديان.
السرعة الزاوية
تُعرف السرعة الزاوية بأنها معدل التغير في الإزاحة الزاوية لجسم يتحرك في دائرة، ويتم التعبير عنها بالصيغة التالية:
ω = lim∆t → 0 (∆θ / t) = dθ / dt
حيث:
ω: السرعة الزاوية.
∆θ: التغير في الإزاحة الزاوية.
t: الزمن.
تقاس السرعة الزاوية بوحدة راديان/ثانية. بالإضافة إلى الإزاحة الزاوية والسرعة الزاوية، يتمتع الجسم في الحركة الدائرية أيضًا بسرعة خطية وسرعة خطية مقابلة.
التسارع الزاوي
يمكن تعريف التسارع الزاوي كمعدل تغير السرعة الزاوية للجسم الدوار، ويتم قياسه بوحدة راديان/ثانية^2:
α = dω / dt = d²θ / dt²
حيث:
α: التسارع الزاوي.
dω: التغير في السرعة الزاوية.
dt: التغير في الزمن.
يمكن أن تكون الحركة الدائرية منتظمة أو غير منتظمة، حسب طبيعة التسارع. تُسمى الحركة الدائرية بالمنتظمة عندما يتحرك الجسم بسرعات ثابتة على مدار دائري.
أنواع الحركة الدائرية
تنقسم الحركة الدائرية إلى نوعين:
الحركة الدائرية المنتظمة
تُعتبر الحركة دائرية منتظمة عندما يتحرك الجسم على طول دائرة بسرعة ثابتة. يتحرك الجسم في هذه الحالة بشكل مستمر، مما يعني أن تغير اتجاهه يحدث باستمرار، حيث يمر الجسم بنفس الفترة الزمنية في كل دورة حول المسار.
الحركة الدائرية غير المنتظمة
تحدث الحركة الدائرية غير المنتظمة عندما يتغير سرعة الجسم أثناء حركته على المسار الدائري. هذه التغيرات في السرعة تؤثر على التسارع الشعاعي. في هذه الحالة، يمكن أن يكون نصفي القطر للدائرة ثابتًا كما يحدث في الحركة على طول مسار دائري، أو قد تكون القوة الشعاعية (الجاذبية المركزية) ثابتة، كما في حالة دوران الأقمار الصناعية حول الأرض تحت تأثير الجاذبية الثابتة. تُحتسب التغييرات الحادثة في الاتجاه من خلال التسارع الشعاعي.
أمثلة على الحركة الدائرية
إليكم بعض الأمثلة المتعلقة بأنماط الحركة الدائرية:
أمثلة على الحركة الدائرية المنتظمة
- دوران مروحة السقف.
- سيارة سباق تستدير في منحنى داخل مضمار السباق.
- كرة تتدحرج على السطح بسرعة ثابتة.
- حجر يتعلق بحبل ويتأرجح في دوائر.
- دوران قمر صناعي حول الأرض على ارتفاع ثابت.
- الكواكب التي تدور حول الشمس أو حول كواكب أخرى.
- عقرب الساعة.
- نادٍ اهتزازي في ماكينة الخياطة.
- قطار يسير على القضبان بسرعة ثابتة.
- سفينة تتحرك في مسار مستقيم بسرعة ثابتة.
- الإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة.
أمثلة على الحركة الدائرية غير المنتظمة
- كرة مرتدة.
- حصان يركض خلال سباق.
- حافلة تسير في الطريق.
- قطعة أثاث تُسحب عبر المسار.
- حركة كويكب في الفضاء.
- طائرات تتحرك خلال السحب ثم تهبط.
- قطار يتوقف عند المحطة النهائية.
- سيارة تتوقف فجأة.
- تحطم سيارات مع بعضها البعض.
- عداء يشارك في سباق 50 متر.
خطوات حل مسائل الحركة الدائرية
توجد خمس خطوات بسيطة لحل مسائل الحركة الدائرية:
- ارسم مخططًا حرًا للجسم يوضح جميع القوى المؤثرة عليه، مع الأخذ في الاعتبار أنه لا يجب اعتبار القوة المركزية إلا عند الحاجة، لأنها ناتجة عن قوى أخرى.
- حدد مركز المسار الدائري.
- قم بتحليل القوى ضمن المحاور: نحو مركز الدائرة ومن اتجاه عمودي على الاتجاه الأول.
- اكتب تعبيرًا عن القوة الكلية الموجهة نحو مركز المسار الدائري، حيث أن هذه القوة هي المسؤولة عن تسارع الجسم.
- طبق قانون نيوتن الثاني على طول كل محور.
