القذائف — الحركة في مستوى تحت تأثير الجاذبية
كرة تتدحرج عن حافّة طاولة، حجر يُرمى بزاوية فوق الأفق، طرد يسقط من طائرة: تجمع هذه الحركات فكرة واحدة — جسم يطير في مستوى عمودي ولا تؤثّر عليه إلّا قوّة الجاذبية. في هذا الفصل نتعلّم كيف تنحلّ هذه الحركة المنحنية إلى مركّبتين بسيطتين مستقلّتين نعرفهما جيّدا من الفصل الأوّل، نشتقّ معادلات القذف الأفقي والقذف المائل، ونختم بتعميم يصلح لكلّ قوّة ثابتة. الفصل قصير، لكنّ أسئلته من الأكثر حضورا في امتحان البجروت.
- نفسّر لماذا تنحلّ حركة القذيفة إلى مركّبة أفقية منتظمة ومركّبة عمودية بتسارع ثابت، زمنهما مشترك.
- نحلّ مسائل القذف الأفقي: زمن الوصول إلى الأرض، المدى، والسرعة في كلّ لحظة.
- نحلّ مسائل القذف المائل، ونشتقّ صيغ زمن الطيران والارتفاع الأقصى والمدى ونعرف حدود صلاحيتها.
- نرسم مخطّط القوى الصحيح لجسم مقذوف: قوّة واحدة فقط — قوّة الجاذبية.
- نعمّم: كلّ جسم تحت تأثير قوّة ثابتة يتحرّك بتسارع ثابت، ومساره قطع مكافئ.
حتى الآن تحرّكت أجسامنا على خطّ مستقيم. الآن نقذف جسما في الهواء: يتحرّك في مستوى عمودي، والقوّة الوحيدة المؤثّرة عليه (إذا أهملنا مقاومة الهواء) هي قوّة الجاذبية m·g، ثابتة المقدار والاتّجاه. المفتاح لحلّ هذه الحركة هو الاستقلال: نحلّل الحركة إلى مركّبتين متعامدتين، ونعالج كلّ مركّبة على حدة بما تعلّمناه عن الحركة في خطّ مستقيم. الزمن هو المقدار الوحيد المشترك بينهما.
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| ax | لا قوّة أفقية ← المركّبة الأفقية للسرعة ثابتة: حركة منتظمة | [m/s²] |
| ay | الجاذبية نحو الأسفل ← حركة بتسارع ثابت (الموجب نحو الأعلى) | [m/s²] |
זריקה אופקית – القذف الأفقي (Horizontal Projectile Motion)
نضع نقطة الأصل على الأرض تحت نقطة القذف، المحور x أفقي في اتّجاه القذف و y نحو الأعلى. في اللحظة t = 0: x = 0 ، y = h ، vx = v0 ، vy = 0.
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| v0 | السرعة الابتدائية (أفقية) | [m/s] |
| h | ارتفاع نقطة القذف | [m] |
| vy | المركّبة العمودية للسرعة، سالبة لأنّها نحو الأسفل | [m/s] |
زمن الوصول إلى الأرض نجده من المعادلة العمودية بوضع y = 0، ولا يتعلّق بـ v0: الجسم المقذوف أفقيا والجسم الذي يُحرَّر من السكون من الارتفاع نفسه يصلان إلى الأرض في اللحظة نفسها. المدى الأفقي هو x في تلك اللحظة، ومقدار السرعة في أيّ لحظة هو v = vx2 + vy2.
أ. زمن الوصول إلى الأرض.
ب. المدى الأفقي.
ج. موقع الجسم وسرعته بعد ثانية واحدة.
د. مقدار سرعة الجسم عند وصوله إلى الأرض والزاوية التي تصنعها مع الأفق.
أ. الحركة العمودية: سقوط حرّ من السكون:
ب. الحركة الأفقية منتظمة طوال زمن الطيران:
ج. بعد ثانية واحدة:
د. عند الوصول إلى الأرض (t = 2 s):
الزاوية تُقاس تحت الأفق: الجسم يصل إلى الأرض بسرعة 25 m/s مائلة بزاوية 53° تحت الأفق.
للطرد عند الإسقاط سرعة الطائرة نفسها، أفقية 100 m/s؛ هذا قذف أفقي:
الطائرة تتحرّك بالسرعة الأفقية نفسها، فتكون في تلك اللحظة فوق الطرد تماما، على ارتفاع 500 m. بالنسبة إلى الطيّار يسقط الطرد عموديا تحته — لأنّ المركّبة الأفقية للسرعة مشتركة.
זריקה משופעת – القذف المائل (Oblique Projectile Motion)
نحلّل السرعة الابتدائية إلى مركّبتين: v0x = v0·cos θ أفقية تبقى ثابتة، و v0y = v0·sin θ عمودية تتناقص بمعدّل g كلّ ثانية. نقطة الأصل في نقطة القذف، y نحو الأعلى:
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| v0 | مقدار السرعة الابتدائية | [m/s] |
| θ | زاوية القذف فوق الأفق | [°] |
من هذه المعادلات نشتقّ المقادير المميّزة للقذف من سطح الأرض وإليه:
- زمن الصعود: في أعلى نقطة vy = 0، ومنه tup = v0·sin θg. بالتماثل، زمن الطيران الكلّي ضعفه.
- الارتفاع الأقصى: نعوّض tup في معادلة y (أو نستعمل vy2 = v0y2 − 2·g·h مع vy = 0).
- المدى (טווח): x في لحظة الهبوط، أي v0·cos θ مضروبة في زمن الطيران.
- سرعة الوصول: بالتماثل تساوي سرعة القذف مقدارا، وبزاوية θ تحت الأفق.
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| tf | زمن الطيران الكلّي | [s] |
| hmax | الارتفاع الأقصى فوق نقطة القذف | [m] |
| R | المدى الأفقي | [m] |
أ. مركّبتَي السرعة الابتدائية.
ب. زمن الصعود والارتفاع الأقصى.
ج. زمن الطيران والمدى.
د. موقع الكرة وسرعتها بعد ثانية واحدة.
هـ. سرعة الكرة عند وصولها إلى الأرض.
أ.
ب. في أعلى نقطة vy = 0:
ج. زمن الطيران ضعف زمن الصعود، والمدى من الحركة الأفقية المنتظمة:
نفحص بصيغة المدى: R = v02·sin 2θg = 625 · sin 74°10 = 60.1 m.
د. بعد ثانية واحدة:
الكرة ما زالت تصعد (vy > 0) لكنّها أبطأ من لحظة القذف.
هـ. عند الهبوط (t = 3 s): vy = 15 − 10 · 3 = −15 m/s — المركّبة العمودية تعود بالمقدار نفسه معكوسة الإشارة، ومقدار السرعة 25 m/s بزاوية 37° تحت الأفق: بالتماثل تماما مع القذف.
نضع نقطة الأصل في نقطة القذف، فالأرض عند y = −60 m. المركّبتان:
الارتفاع الأقصى فوق نقطة القذف، ثم فوق الأرض:
زمن الطيران من معادلة y(t) مع y = −60:
الجذر السالب مرفوض (قبل القذف). المدى وسرعة الوصول:
لاحظوا أنّ زمن الطيران هنا ليس 2·tup، لأنّ الحجر هبط إلى مستوى أخفض من نقطة القذف.
الحركة الأفقية منتظمة بسرعة v0x = 20 m/s، ومنها زمن الوصول إلى الجدار:
الارتفاع في تلك اللحظة من الحركة العمودية (v0y = 15 m/s):
المركّبة العمودية سالبة، إذًا الكرة كانت تهبط عند الاصطدام: مرّت بأعلى نقطة (tup = 1.5 s) قبل أن تصل إلى الجدار.
הכללה: תנועה בהשפעת כוח קבוע – تعميم: الحركة تحت تأثير قوّة ثابتة (Motion under a Constant Force)
ليس في القذف شيء خاصّ بالجاذبية. كلّ جسم تؤثّر عليه قوّة ثابتة (مقدارا واتّجاها) يتحرّك بتسارع ثابت a = Fm، والحركة تنقسم دائما إلى مركّبتين مستقلّتين: بمحاذاة القوّة — حركة بتسارع ثابت، وعموديا عليها — حركة منتظمة. إذا كانت السرعة الابتدائية غير موازية للقوّة فالمسار قطع مكافئ. الأمثلة كثيرة: جسيم مشحون في مجال كهربائي منتظم (سنلتقي به في الكهرباء)، أو جسم ينزلق على سطح مائل أملس بعد أن يُقذف على طول السطح.
القوّة المحصّلة على القرص بمحاذاة السطح هي m·g·sin θ نحو الأسفل، وهي ثابتة. نختار x بمحاذاة القاعدة و y نحو أسفل السطح:
بعد ثانيتين:
الحساب مطابق تماما لحساب القذف الأفقي، مع استبدال g بـ g·sin θ.
أهمّ أفكار الفصل:
- بعد أن يغادر الجسم اليد لا تبقى عليه أيّ «قوّة قذف»: القوّة الوحيدة أثناء الطيران كلّه هي قوّة الجاذبية m·g نحو الأسفل — في الصعود، في القمّة وفي الهبوط.
- مفتاح حلّ القذف هو الاستقلال: مركّبة أفقية منتظمة ومركّبة عمودية بتسارع ثابت، والزمن هو المقدار الوحيد المشترك بينهما.
- صيغ زمن الطيران والارتفاع الأقصى والمدى صالحة فقط عندما يهبط الجسم على ارتفاع نقطة القذف نفسه؛ في كلّ حالة أخرى نعود إلى المعادلات الأساسية x(t) و y(t) — وهي صالحة دائما.
- القذف حالة خاصّة من الحركة تحت قوّة ثابتة: بمحاذاة القوّة حركة بتسارع ثابت، وعموديا عليها حركة منتظمة، والمسار قطع مكافئ كلّما لم توازِ السرعة الابتدائية القوّة.
ملخّص قوانين الفصل:
| القانون | الصيغة |
|---|---|
| القذف الأفقي | x = v0·t , y = h − 12·g·t2 |
| القذف المائل | x = v0·cos θ·t , y = v0·sin θ·t − 12·g·t2 |
| زمن الطيران والارتفاع الأقصى | tf = 2·v0·sin θg , hmax = v02·sin2 θ2·g |
| المدى | R = v02·sin 2θg |
قاموس المصطلحات – מילון מונחים:
| بالعربية | بالعبرية (كما تظهر في الامتحان) | English |
|---|---|---|
| القذف الأفقي | זריקה אופקית | Horizontal projectile motion |
| القذف المائل (الرمي المائل) | זריקה משופעת | Oblique projectile motion |
| المدى | טווח | Range |
| زمن الطيران | זמן מעוף | Time of flight |
| القطع المكافئ | פרבולה | Parabola |
تمارين ملائمة لبنود الفصل:
تمارين تلخيصية:
أ. ما أقصى ارتفاع تبلغه الكرة فوق الأرض؟
ب. بعد كم من الزمن تصل إلى الأرض؟
ج. على أيّ بُعد أفقي من البناية تهبط؟
د. ما مقدار سرعتها لحظة الارتطام؟
أ. قارنوا بين زمنَي السقوط.
ب. احسبوا مدى كلّ كرة.
ج. من أيّ ارتفاع يجب قذف الأولى، بسرعتها نفسها، ليتضاعف مداها؟ علّلوا بالحساب.
تمارين تعمّق:
أ. هل تعبر الكرة فوق الجدار؟ احسبوا ارتفاعها عند بلوغه.
ب. ما مركّبتا سرعتها هناك — وهل كانت تصعد أم تهبط؟
ج. على أيّ بُعد خلف الجدار تهبط الكرة؟
שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 4
| البند | المطلوب | الإجابة النهائية |
|---|---|---|
| أ | وصف الحركة بالكلمات | في المحور الأفقيّ حركة منتظمة مع aₓ = 0 · في المحور العموديّ حركة بتسارع ثابت مع a = g = 10 m/s² وسرعة ابتدائيّة صفر · المسار نصف قطع مكافئ |
| ب | مقدار السرعة في لحظة الاصطدام | v ≈ 27.7 m/s ، أي نحو 99.6 km/h |
| ج | حساب H، الارتفاع الأقصى | H ≈ 17.1 m · وبالمناسبة t₁ ≈ 1.85 s و L ≈ 38.0 m |
| د | السرعة الأفقيّة في الرمية الثانية | v(x2) ≈ 21.2 m/s ، أي نحو 76.3 km/h |
| هـ | مقارنة زاويتَي الاصطدام، بدون حساب | زاوية الاصطدام في الرمية الثانية أصغر من نظيرتها في الرمية الأولى · 40.3° مقابل 42° |
| البند | المطلوب | الإجابة النهائية |
|---|---|---|
| أ | زمن السقوط حتّى الاصطدام بالأرض | t = 1.0954 s ≈ 1.1 s · متطابق لكلّ واحدة من الكرات الثلاث ولا يتعلّق بالسرعة الأفقيّة |
| ب | سرعة الاصطدام بالأرض، المقدار والاتّجاه | v = 11.358 m/s ≈ 11.4 m/s · الاتّجاه إلى الأمام والأسفل بزاوية θ = 74.7° تحت الأفق ، أي 15.3° عن العموديّ |
| ج | البُعد بين نقطتَي اصطدام كرتَين متتاليتَين | البُعد بين نقطتَي اصطدام كرتَين متتاليتَين هو Δx = v₀·Δt = 1.5 m |
| د | أيّ رسم توضيحيّ يصف الوضع بشكل صحيح | الرسم التوضيحيّ 4 · خطّ عموديّ واحد تحت الطائرة المسيّرة ، وفجوتان 1.25 m و 3.75 m نسبتهما 1 : 3 |
| هـ | مَن على حقّ، يوسف أم دانا | دانا على حقّ · v = 11.358 m/s ≈ 11.4 m/s في الحالتَين ، بدون أيّ تعلّق بالزاوية α |