الميكانيكا · الفصل 8 — الحركة التوافقية البسيطةתנועה הרמונית פשוטה · פיזיקה 5 יח"ל⌂📚🏠
الفصل 8

الحركة التوافقية البسيطة

תנועה הרמונית פשוטה
الفيزياء — 5 وحدات تعليمية · 10 ساعات تعليمية

كثير من الحركات حولنا تتكرّر: رقّاص الساعة، الأرجوحة، وتر الغيتار، وحتى كتلة معلّقة بنابض. في هذا الفصل نتعرّف على الحركة الدورية، ثم على نوع خاصّ ومهمّ منها هو الاهتزاز التوافقي البسيط، نكتب معادلة حركته ونحلّها، ونطبّق ذلك على النابض العمودي وعلى البندول البسيط.

في نهاية هذا الفصل سنعرف أن:
  • نُعرّف الحركة الدورية ونصفها بزمن الدورة T والتردّد f والتردّد الزاوي ω.
  • نميّز الاهتزاز التوافقي البسيط بالصيغة الرياضية للقوّة المُرجِعة: F = −k·x.
  • نكتب معادلة الحركة للمهتزّ التوافقي، ونفسّر معنى الثوابت في حلّها x(t) = A·cos(ω·t + φ).
  • نحسب السرعة والتسارع كدالّة للزمن، والسرعة القصوى والتسارع الأقصى.
  • نستنتج صيغة زمن الدورة T = 2π·mk ونستعملها.
  • نحلّل القوى وتحوّلات الطاقة في اهتزاز جسم مربوط بنابض عمودي.
  • نشتقّ زمن دورة البندول البسيط T = 2π·ℓg في تقريب الزوايا الصغيرة.

תנועה מחזורית, תנודות ותנודות הרמוניות – الحركة الدورية، الاهتزازات والاهتزازات التوافقية (Periodic Motion, Oscillations, Harmonic Oscillations)

الحركة الدورية – תנועה מחזורית:

الحركة الدورية (תנועה מחזורית): هي حركة تتكرّر بالشكل نفسه بعد فترات زمنية متساوية. بعد كل فترة كهذه يعود الجسم إلى الموقع نفسه وبالسرعة نفسها (مقدارا واتّجاها). أقصر فترة كهذه تسمّى زمن الدورة (זמן מחזור).

رياضيا، الحركة دورية إذا تحقّق لكل لحظة t:

x(t + T) = x(t)
1234A−AtxTTالحركة تتكرّر كلّ T
رسم بياني للموقع كدالّة للزمن في حركة دورية: الشكل نفسه يتكرّر كل زمن دورة T

نصف الحركة الدورية بثلاثة مقادير مرتبطة بعضها ببعض:

زمن الدورة، التردّد والتردّد الزاوي · זמן מחזור, תדירות ותדירות זוויתית
f = 1T
ω = 2πT = 2π·f
الرمزالمعنىوحدة القياس
Tزمن الدورة: زمن دورة كاملة واحدة[s]
fالتردّد: عدد الدورات في الثانية الواحدة[Hz]
ωالتردّد الزاوي[rad/s]
ملاحظة: وحدة التردّد هي الهرتز (הרץ): 1 Hz = 11 s. التردّد الزاوي يُقاس بالراديان في الثانية، وسنرى في البند التالي لماذا يظهر فيه العدد 2π: دورة كاملة تقابل زاوية 2π راديان في الحركة الدائرية المرافقة.
الحركةزمن الدورة التقريبيما الذي يتكرّر؟
دوران الأرض حول محورها24 hموقع الشمس في السماء
رقّاص ساعة الحائط2 sموقع الرقّاص وسرعته
نبض القلب في الراحة0.8 sانقباض عضلة القلب
اهتزاز وتر الغيتار (النغمة لا)2.3 msموقع الوتر
الجهد في شبكة الكهرباء20 msقيمة الجهد واتّجاهه
مثال 8.1
ينبض قلب إنسان في الراحة بزمن دورة 0.8 s. نحسب تردّد النبض بالهرتز وبالنبضات في الدقيقة، ثم التردّد الزاوي.
الحل:

التردّد هو مقلوب زمن الدورة:

f = 1T = 10.8 = 1.25 Hz

في الدقيقة الواحدة 60 ثانية، لذلك عدد النبضات في الدقيقة:

N = f · 60 = 1.25 · 60 = 75

التردّد الزاوي:

ω = 2π·f = 2π · 1.25 = 7.85 rad/s
f = 1.25 Hz , ω = 7.85 rad/s
سؤال 8.1: تردّد الجهد في شبكة الكهرباء في إسرائيل هو 50 Hz. ما هو زمن الدورة، وما هو التردّد الزاوي؟

الاهتزازات – תנודות:

الاهتزاز (תנודה): هو حركة دورية يتحرّك فيها الجسم ذهابا وإيابا حول نقطة ثابتة تسمّى نقطة الاتّزان (נקודת שיווי משקל)، وهي النقطة التي تكون فيها محصّلة القوى على الجسم صفرا. الاهتزازات هي عائلة فرعية من الحركات الدورية: كل اهتزاز دوري، لكن ليست كل حركة دورية اهتزازا (دوران الأرض مثلا حركة دورية وليس اهتزازا).

المثال الأساسي للاهتزاز هو جسم مربوط بنابض على سطح أفقي أملس. عندما نزيح الجسم عن نقطة الاتّزان ونحرّره، يؤثّر النابض عليه بقوّة تعيده نحو نقطة الاتّزان؛ لذلك تسمّى هذه القوّة القوّة المُرجِعة (כוח מחזיר). يصل الجسم إلى نقطة الاتّزان بسرعة، فيتجاوزها، ثم تعيده القوّة من الجهة الأخرى، وهكذا.

mنقطة الاتّزان: F = 0mFxاستطالة: القوّة نحو اليسارmFxانضغاط: القوّة نحو اليمينx = 0
جسم مربوط بنابض أفقي: في نقطة الاتّزان لا يؤثّر النابض بقوّة؛ عند الاستطالة أو الانضغاط تتّجه قوّة النابض دائما نحو نقطة الاتّزان
السعة (משרעת): هي أكبر بُعد يصل إليه الجسم المهتزّ عن نقطة الاتّزان، ويرمز لها بالحرف A. يتحرّك الجسم بين الموقعين x = +A و x = −A، ويقطع في الدورة الواحدة طريقا طوله 4A.

الاهتزاز التوافقي البسيط – תנודה הרמונית פשוטה:

الاهتزاز التوافقي البسيط (תנודה הרמונית פשוטה): هو اهتزاز تتناسب فيه القوّة المُرجِعة طرديا مع الإزاحة عن نقطة الاتّزان وتعاكسها في الاتّجاه. هذه هي الصيغة الرياضية للقوّة كدالّة للموقع: F = −k·x.
القوّة المُرجِعة في الاهتزاز التوافقي · כוח מחזיר
F = −k·x
الرمزالمعنىوحدة القياس
Fالقوّة المُرجِعة (محصّلة القوى بمحاذاة الحركة)[N]
xالإزاحة عن نقطة الاتّزان[m]
kثابت التناسب (في النابض: ثابت النابض)[N/m]

الإشارة السالبة هي جوهر التعريف: عندما يكون الجسم على يمين نقطة الاتّزان (x > 0) تتّجه القوّة إلى اليسار (F < 0)، وعندما يكون على يسارها (x < 0) تتّجه القوّة إلى اليمين (F > 0). الرسم البياني للقوّة كدالّة للموقع هو خطّ مستقيم يمرّ بنقطة الأصل، وميله يساوي −k. إذا لم يكن الرسم خطّا مستقيما فالاهتزاز دوري لكنّه ليس توافقيا.

−AAxFF = −k·x
اهتزاز توافقي: خطّ مستقيم ميله −k
−AAxFF ∝ −x³
اهتزاز غير توافقي: القوّة ليست متناسبة مع x
مثال 8.2
جسم مربوط بنابض ثابته 25 N/m على سطح أفقي أملس. نحسب القوّة المُرجِعة عندما يكون الجسم على بُعد 4 cm يمين نقطة الاتّزان، ثم عندما يكون على بُعد 4 cm يسارها.
الحل:

نحوّل الإزاحة إلى متر: x = 4 cm = 0.04 m. على اليمين x = +0.04 m:

F = −k·x = −25 · 0.04 = −1 N

الإشارة السالبة تعني أنّ القوّة تتّجه إلى اليسار، أي نحو نقطة الاتّزان. على اليسار x = −0.04 m:

F = −25 · (−0.04) = 1 N

الآن القوّة موجبة، أي نحو اليمين — ومرّة أخرى نحو نقطة الاتّزان.

F = ∓1 N
سؤال 8.2: في رسم بياني للقوّة المُرجِعة كدالّة للموقع حصلنا على خطّ مستقيم يمرّ بالنقطتين (0, 0) و (0.1 m, −6 N). هل الاهتزاز توافقي؟ ما هي قيمة k؟
▶تجربة حية — الحركة الدورية والاهتزاز التوافقينغيّر ثابت النابض والكتلة والسعة، نراقب الرسم البياني للقوّة كدالّة للموقع، وننتقل إلى اهتزاز غير توافقي لنرى الفرق.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_shm#periodic
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_shm#periodic

נוסחאות קינמטיות לתיאור תנועתו של אוסצילטור הרמוני – الصيغ الحركية لوصف حركة المهتزّ التوافقي (Kinematics of the Harmonic Oscillator)

معادلة الحركة – משוואת התנועה:

نكتب قانون نيوتن الثاني لجسم كتلته m مربوط بنابض ثابته k على سطح أفقي أملس. القوّة الوحيدة بمحاذاة الحركة هي قوّة النابض:

ΣF = m·a
−k·x = m·a
a = −km·x

هذه هي معادلة الحركة (משוואת התנועה) للمهتزّ التوافقي: التسارع يتناسب مع الإزاحة ويعاكسها. التسارع ليس ثابتا، ولذلك لا تصلح هنا صيغ الحركة بتسارع ثابت التي تعلّمناها في الفصل الأوّل. نحتاج إلى دالّة x(t) يكون تسارعها مساويا لسالب ثابت مضروبا في الدالّة نفسها.

الحلّ العامّ لمعادلة الحركة – הפתרון הכללי של משוואת התנועה:

الدالّة التي تحقّق ذلك هي دالّة جيب التمام (أو الجيب). الحلّ العامّ لمعادلة الحركة هو:

الموقع كدالّة للزمن في الاهتزاز التوافقي · מקום כפונקציה של הזמן
x(t) = A·cos(ω·t + φ)
الرمزالمعنىوحدة القياس
Aالسعة: أكبر إزاحة عن نقطة الاتّزان[m]
ωالتردّد الزاوي، ω = km[rad/s]
φالطور الابتدائي: يحدّد موقع الجسم في اللحظة t = 0[rad]
ω·t + φالطور في اللحظة t[rad]

معنى الثوابت: السعة A والطور الابتدائي φ يُحدَّدان من الشروط الابتدائية (أين كان الجسم وما سرعته في اللحظة t = 0)، أما التردّد الزاوي ω فتحدّده المنظومة نفسها: الكتلة وثابت النابض فقط. إذا حرّرنا الجسم من السكون في الموقع x = A فإنّ φ = 0 والحلّ يصبح x(t) = A·cos(ω·t)، وهذه هي الحالة التي سنستعملها غالبا.

لماذا جيب التمام؟ العلاقة مع الحركة الدائرية المنتظمة – למה קוסינוס? הקשר לתנועה מעגלית קצובה:

ωtPxx = A·cos(ωt)AAarإسقاط P على القطر الأفقي
نقطة P تدور بحركة دائرية منتظمة نصف قطرها A؛ إسقاطها على القطر الأفقي يهتزّ اهتزازا توافقيا

لننظر إلى نقطة P تتحرّك على دائرة نصف قطرها A بسرعة زاوية ثابتة ω. الزاوية التي تقطعها في الزمن t هي ω·t، ولذلك إحداثيّ إسقاطها على القطر الأفقي هو x = A·cos(ω·t) — تماما صيغة الاهتزاز التوافقي.
تعلّمنا في الفصل الخامس أنّ تسارع الحركة الدائرية المنتظمة راديالي ومقداره ar = ω2·A. إسقاط هذا التسارع على المحور الأفقي هو a = −ω2·A·cos(ω·t) = −ω2·x. نقارن مع معادلة الحركة a = −km·x فنحصل على:

ω2 = km
ω = km

ومن العلاقة ω = 2πT نستنتج صيغة زمن الدورة:

زمن دورة المهتزّ التوافقي (كتلة ونابض) · זמן המחזור של אוסצילטור הרמוני
T = 2π·mk
f = 12π·km
الرمزالمعنىوحدة القياس
Tزمن الدورة[s]
mكتلة الجسم المهتزّ[kg]
kثابت النابض[N/m]
تصوّر خاطئ شائع: يعتقد كثيرون أنّ تكبير السعة يُطيل زمن الدورة — "طريق أطول يحتاج وقتا أطول". في الاهتزاز التوافقي هذا غير صحيح: كتلة تهتزّ بسعة 2 cm وكتلة تهتزّ بسعة 10 cm على النابض نفسه تُنهيان الدورة في الزمن نفسه، لأنّ الثانية تقطع طريقا أطول لكنّها تتحرّك بسرعة أكبر بالنسبة نفسها. زمن الدورة تحدّده الكتلة وثابت النابض فقط، وتسمّى هذه الخاصّية التواقت (איזוכרוניות).

السرعة والتسارع كدالّة للزمن – המהירות והתאוצה כפונקציה של הזמן:

من الحركة الدائرية المرافقة نحصل أيضا على السرعة: سرعة النقطة P على الدائرة مقدارها ω·A، وإسقاطها على المحور الأفقي هو −ω·A·sin(ω·t). وهكذا نحصل على الصيغ الثلاث (في الحالة φ = 0):

الموقع، السرعة والتسارع في الاهتزاز التوافقي · מקום, מהירות ותאוצה
x(t) = A·cos(ω·t)
v(t) = −A·ω·sin(ω·t)
a(t) = −A·ω2·cos(ω·t) = −ω2·x(t)
الرمزالمعنىوحدة القياس
A·ωالسرعة القصوى vmax، في نقطة الاتّزان[m/s]
A·ω2التسارع الأقصى amax، في طرفي الحركة x = ±A[m/s²]
T/4T/23T/4T3T/22TA−AtxT/4T/23T/4T3T/22TAω−AωtvT/4T/23T/4T3T/22TAω²−Aω²ta
الموقع (أزرق)، السرعة (أخضر) والتسارع (برتقالي) كدالّة للزمن. عندما يكون الموقع أقصى تنعدم السرعة ويكون التسارع أقصى بالاتّجاه المعاكس؛ وعند المرور بنقطة الاتّزان تكون السرعة قصوى والتسارع صفرا.
تصوّر خاطئ شائع: يعتقد كثيرون أنّ "كلّ شيء يساوي صفرا" في طرفي الاهتزاز، لأنّ الجسم يتوقّف هناك للحظة. الصحيح أنّ السرعة وحدها تنعدم في الطرفين، أمّا القوّة المُرجِعة والتسارع فيبلغان هناك أقصى قيمتيهما (k·A و ω2·A) — ولولا ذلك لبقي الجسم عالقا في الطرف ولما عاد أبدا. وفي نقطة الاتّزان الوضع معكوس تماما: السرعة قصوى، والقوّة والتسارع صفر.
مثال 8.3
جسم كتلته 0.5 kg مربوط بنابض ثابته 200 N/m على سطح أفقي أملس. نسحب الجسم مسافة 4 cm عن نقطة الاتّزان ونحرّره من السكون في اللحظة t = 0. نحسب:
أ. التردّد الزاوي، زمن الدورة والتردّد.
ب. السرعة القصوى والتسارع الأقصى.
ج. موقع الجسم وسرعته في اللحظة t = 0.1 s.
الحل:

أ. التردّد الزاوي تحدّده الكتلة وثابت النابض:

ω = km = 2000.5 = 20 rad/s
T = 2πω = 2π20 = 0.314 s
f = 1T = 3.18 Hz

ب. تحرّر الجسم من السكون على بُعد 4 cm، لذلك السعة A = 0.04 m:

vmax = A·ω = 0.04 · 20 = 0.8 m/s
amax = A·ω2 = 0.04 · 202 = 16 m/s²

ج. تحرّر الجسم من السكون في x = A، إذًا φ = 0 ونعوّض في الصيغ (الزاوية بالراديان):

x(0.1) = A·cos(ω·t) = 0.04 · cos(20 · 0.1) = 0.04 · cos(2) = −0.0166 m
v(0.1) = −A·ω·sin(ω·t) = −0.04 · 20 · sin(2) = −0.727 m/s

الموقع سالب والسرعة سالبة: الجسم على يسار نقطة الاتّزان ويبتعد عنها نحو الطرف x = −A.

T = 0.314 s , vmax = 0.8 m/s , x(0.1) = −0.0166 m
انتبهوا: عند حساب cos(ω·t) يجب ضبط الحاسبة على وضع الراديان (RAD)، لأنّ ω·t زاوية بالراديان وليس بالدرجات.
مثال 8.4
موقع جسم مهتزّ مُعطى بالدالّة x(t) = 0.06·cos(5·t) (بوحدات SI). نجد السعة، التردّد الزاوي، زمن الدورة، السرعة القصوى والتسارع الأقصى.
الحل:

نقارن مع الصيغة العامّة x(t) = A·cos(ω·t) ونقرأ مباشرة:

A = 0.06 m
ω = 5 rad/s
T = 2πω = 2π5 = 1.26 s
vmax = A·ω = 0.06 · 5 = 0.3 m/s
amax = A·ω2 = 0.06 · 25 = 1.5 m/s²
T = 1.26 s , vmax = 0.3 m/s , amax = 1.5 m/s²
سؤال 8.3: جسم كتلته 2 kg مربوط بنابض ثابته 50 N/m يهتزّ بسعة 10 cm. احسبوا زمن الدورة والسرعة القصوى. ماذا يحدث لزمن الدورة إذا ضاعفنا السعة؟

الطاقة في الاهتزاز التوافقي – אנרגיה בתנודה הרמונית:

على السطح الأملس لا توجد قوى غير حافظة، لذلك تُحفَظ الطاقة الميكانيكية: مجموع الطاقة الحركية وطاقة المرونة الوضعية للنابض (الفصل السابع) ثابت طوال الحركة. في طرفي الحركة كلّ الطاقة مرنة، وفي نقطة الاتّزان كلّها حركية:

حفظ الطاقة في الاهتزاز التوافقي · שימור האנרגיה בתנודה
E = 12·k·A2 = 12·m·v2 + 12·k·x2
v = ω·A2 − x2
الرمزالمعنىوحدة القياس
Eالطاقة الميكانيكية الكلّية[J]
xالموقع اللحظي[m]
vالسرعة في الموقع x[m/s]
مثال 8.5
في منظومة المثال 8.3 (m = 0.5 kg ، k = 200 N/m ، A = 4 cm) نحسب الطاقة الكلّية وسرعة الجسم عند مروره في الموقع x = 2 cm.
الحل:

الطاقة الكلّية تساوي طاقة المرونة الوضعية في الطرف:

E = 12·k·A2 = 12 · 200 · 0.042 = 0.16 J

في الموقع x = 0.02 m جزء من الطاقة مرن والباقي حركي:

12·m·v2 = E − 12·k·x2 = 0.16 − 12 · 200 · 0.022 = 0.12 J
v = 2 · 0.120.5 = 0.693 m/s

نفحص بالصيغة الثانية: v = ω·A2 − x2 = 20 · 0.042 − 0.022 = 0.693 m/s — النتيجة نفسها.

E = 0.16 J , v = 0.693 m/s
▶تجربة حية — الصيغ الحركية للمهتزّ التوافقينضبط السعة والتردّد الزاوي والطور الابتدائي، ونتابع في الوقت نفسه الرسوم البيانية للموقع والسرعة والتسارع، والمقادير المميّزة: السرعة القصوى والتسارع الأقصى.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_shm#shmkin
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_shm#shmkin

דוגמאות: תנודות גוף הקשור לקפיץ אנכי ותנודות של מטוטלת פשוטה – أمثلة: اهتزازات جسم مربوط بنابض عمودي واهتزازات البندول البسيط (Vertical Spring and Simple Pendulum)

اهتزازات جسم مربوط بنابض عمودي — تحليل القوى – תנודות גוף הקשור לקפיץ אנכי — ניתוח כוחות:

نعلّق جسما كتلته m بنابض عمودي ثابته k. تؤثّر على الجسم قوّتان: قوّة الجاذبية m·g نحو الأسفل، وقوّة النابض نحو الأعلى. في حالة الاتّزان يستطيل النابض استطالة x0 تتوازن فيها القوّتان:

k·x0 = m·g
x0 = m·gk
النابض حرّmالاتّزانmالموضع الأدنىx₀Akx₀mg
نابض عمودي: حرّ، في الاتّزان مع الكتلة (استطالة x0)، وفي الموضع الأدنى أثناء الاهتزاز (استطالة x0 + A)

الآن نسحب الجسم مسافة A أسفل نقطة الاتّزان ونحرّره. نقيس الإزاحة x من نقطة الاتّزان الجديدة (الموجب نحو الأسفل). استطالة النابض هي x0 + x، ومحصّلة القوى على الجسم:

ΣF = m·g − k·(x0 + x) = m·g − k·x0 − k·x
ΣF = −k·x

اختُصر الوزن تماما مع الجزء الثابت من قوّة النابض، وبقيت معادلة الحركة نفسها الخاصّة بالنابض الأفقي. النتيجة مهمّة:

ملاحظة: الجاذبية لا تغيّر زمن دورة الاهتزاز على نابض عمودي؛ دورها الوحيد هو إزاحة نقطة الاتّزان إلى الأسفل بمقدار x0 = m·gk. زمن الدورة يبقى T = 2π·mk، ولا يظهر فيه g إطلاقا.
مثال 8.6
جسم كتلته 0.4 kg معلّق بنابض عمودي ثابته 80 N/m. نسحب الجسم 3 cm أسفل نقطة اتّزانه ونحرّره من السكون. نحسب:
أ. استطالة النابض في الاتّزان.
ب. زمن الدورة والسرعة القصوى.
ج. القوّة التي يؤثّر بها النابض في الموضع الأدنى وفي الموضع الأعلى.
الحل:

أ. في الاتّزان تتساوى قوّة النابض مع الوزن:

x0 = m·gk = 0.4 · 1080 = 0.05 m = 5 cm

ب. زمن الدورة كما في النابض الأفقي، والسعة هي مسافة السحب A = 0.03 m:

T = 2π·mk = 2π·0.480 = 0.444 s
ω = km = 14.14 rad/s
vmax = A·ω = 0.03 · 14.14 = 0.424 m/s

ج. في الموضع الأدنى استطالة النابض أكبر ما يمكن x0 + A، وفي الأعلى أصغر ما يمكن x0 − A:

Fmax = k·(x0 + A) = 80 · (0.05 + 0.03) = 6.4 N
Fmin = k·(x0 − A) = 80 · (0.05 − 0.03) = 1.6 N

في الموضع الأدنى قوّة النابض أكبر من الوزن (4 N) فيتسارع الجسم نحو الأعلى، وفي الأعلى أصغر من الوزن فيتسارع نحو الأسفل.

x0 = 5 cm , T = 0.444 s , Fmax = 6.4 N

تحوّلات الطاقة في النابض العمودي – המרות אנרגיה בקפיץ אנכי:

في النابض العمودي ثلاثة أنواع من الطاقة: الحركية، طاقة المرونة الوضعية في النابض، وطاقة الثقل الوضعية. مجموعها ثابت. عندما ينزل الجسم من الموضع الأعلى إلى الموضع الأدنى تقلّ طاقة الثقل الوضعية بمقدار m·g·2A، وتزداد طاقة المرونة الوضعية بالمقدار نفسه تماما — ففي موضعَي الطرفين السرعة صفر، فلا فرق بينهما. أمّا في المواضع الوسطى فطاقة المرونة الوضعية المكتسبة أصغر من طاقة الثقل الوضعية المفقودة، والفرق هو الطاقة الحركية. بالنسبة إلى نقطة الاتّزان الجديدة يمكن اختصار الحساب: مجموع طاقتي الثقل والمرونة الوضعيتين يتصرّف تماما كطاقة مرونة وضعية واحدة 12·k·x2 مقيسة من نقطة الاتّزان، ولذلك تبقى الصيغة E = 12·k·A2 صالحة.

مثال 8.7
في منظومة المثال السابق نحسب طاقة المرونة الوضعية في الموضع الأدنى وفي الموضع الأعلى، ونبيّن أنّ الفرق يساوي التغيّر في طاقة الثقل الوضعية.
الحل:
Usp,low = 12·k·(x0 + A)2 = 12 · 80 · 0.082 = 0.256 J
Usp,high = 12·k·(x0 − A)2 = 12 · 80 · 0.022 = 0.016 J

الفرق بينهما:

ΔUsp = 0.256 − 0.016 = 0.24 J

التغيّر في طاقة الثقل الوضعية بين الموضعين (الفرق في الارتفاع 2A):

ΔUG = m·g·2A = 0.4 · 10 · 0.06 = 0.24 J

في الموضعين السرعة صفر، فلا طاقة حركية؛ وطاقة المرونة الوضعية التي زادت تساوي بالضبط طاقة الثقل الوضعية التي نقصت — الطاقة محفوظة.

ΔUsp = ΔUG = 0.24 J
سؤال 8.4: كتلة 0.2 kg معلّقة بنابض عمودي ثابته 50 N/m تهتزّ بسعة 4 cm. احسبوا استطالة النابض في الاتّزان، وزمن الدورة، وقوّة النابض القصوى.
▶تجربة حية — اهتزازات جسم مربوط بنابض عمودينعلّق الكتلة ونراقب نقطة الاتّزان الجديدة، ثم نسحبها ونتابع تحوّلات الطاقة الثلاثة وقراءة قوّة النابض أثناء الاهتزاز.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_shm#vspring
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_shm#vspring

البندول البسيط وتقريب الزوايا الصغيرة – מטוטלת פשוטה וקירוב הזוויות הקטנות:

البندول البسيط (מטוטלת פשוטה): هو جسم نقطي كتلته m معلّق بخيط مهمل الكتلة وغير قابل للتمدّد، طوله ℓ. عندما نزيحه عن الوضع العمودي ونحرّره، يهتزّ ذهابا وإيابا حول نقطة الاتّزان.
θℓTmgmg·sin θmg·cos θ
القوى على جسم البندول: قوّة الشدّ بمحاذاة الخيط، وقوّة الجاذبية التي نحلّلها إلى مركّبة بمحاذاة الخيط (m·g·cos θ) ومركّبة مماسّة للمسار (m·g·sin θ) — وهذه هي القوّة المُرجِعة

تؤثّر على الجسم قوّتان: قوّة الشدّ T بمحاذاة الخيط، وقوّة الجاذبية m·g. نحلّل قوّة الجاذبية إلى مركّبتين: m·g·cos θ بمحاذاة الخيط، و m·g·sin θ مماسّة للمسار. المركّبة المماسّية هي القوّة المُرجِعة لأنّها تتّجه دائما نحو نقطة الاتّزان:

F = −m·g·sin θ

هذه القوّة تتناسب مع sin θ وليس مع الإزاحة نفسها، ولذلك فاهتزاز البندول ليس توافقيا بدقّة. لكن للزوايا الصغيرة (حتى نحو 10°) يكون الجيب مساويا تقريبا للزاوية بالراديان: sin θ ≈ θ. الإزاحة على طول القوس هي x = ℓ·θ، ومنه θ = xℓ:

F ≈ −m·g·θ = −m·gℓ·x

حصلنا على قوّة مُرجِعة من الشكل F = −k·x مع ثابت فعّال k = m·gℓ. نعوّض في صيغة زمن الدورة:

T = 2π·mk = 2π·mm·g/ℓ
زمن دورة البندول البسيط (الزوايا الصغيرة) · זמן המחזור של מטוטלת פשוטה
T = 2π·ℓg
الرمزالمعنىوحدة القياس
Tزمن الدورة[s]
ℓطول الخيط (حتى مركز الجسم)[m]
gتسارع السقوط الحرّ[m/s²]
ملاحظة: زمن دورة البندول لا يتعلّق بكتلة الجسم ولا بالسعة (ما دامت الزوايا صغيرة)، بل بطول الخيط وبتسارع السقوط الحرّ فقط. لمضاعفة زمن الدورة نحتاج إلى خيط أطول أربع مرّات.
تصوّر خاطئ شائع: يعتقد كثيرون أنّ البندول ذا الكتلة الأكبر يتأرجح أسرع (أو أبطأ). الحقيقة أنّ زمن الدورة لا يتعلّق بالكتلة إطلاقا: تكبير الكتلة يكبّر القوّة المُرجِعة m·g·sin θ ويكبّر القصور الذاتي بالنسبة نفسها، فتُختصر الكتلة من معادلة الحركة — تماما كما تسقط الأجسام كلّها بالتسارع نفسه في السقوط الحرّ. وبفضل عدم التعلّق بالسعة أيضا (التواقت) صلح البندول ليكون قلب الساعات الدقيقة طوال قرون.
الزاوية θθ بالراديانsin θالخطأ النسبي
5°0.08730.08720.13 %
10°0.17450.17360.51 %
20°0.34910.3422.1 %
45°0.78540.707111.1 %

يبيّن الجدول حدود التقريب: حتى 10° الخطأ أقل من نصف بالمئة، وعند 45° يصبح التقريب غير مقبول.

مثال 8.8
بندول بسيط طول خيطه 1 m. نحسب زمن دورته، ثم نجد الطول اللازم للحصول على زمن دورة مقداره ثانيتان بالضبط (بندول الثواني).
الحل:
T = 2π·ℓg = 2π·110 = 1.99 s

للحصول على T = 2 s نعزل الطول من الصيغة:

T2 = 4π2·ℓg
ℓ = g·T24π2 = 10 · 224π2 = 1.013 m
T = 1.99 s , ℓ = 1.013 m

قياس تسارع السقوط الحرّ بالبندول – מדידת תאוצת הנפילה החופשית בעזרת מטוטלת:

صيغة زمن الدورة تعطينا طريقة دقيقة لقياس g: نقيس زمن 10 دورات (لتقليل خطأ القياس) ونحسب زمن الدورة، ثم نعزل g:

g = 4π2·ℓT2
مثال 8.9
قاس طالب زمن 10 دورات كاملة لبندول طوله 0.8 m فحصل على 17.9 s. نحسب تسارع السقوط الحرّ.
الحل:

زمن الدورة الواحدة:

T = 17.910 = 1.79 s
g = 4π2·ℓT2 = 4π2 · 0.81.792 = 9.86 m/s²

النتيجة قريبة من القيمة المعروفة، والفرق ناتج عن دقّة القياس وعن كون الزوايا ليست صغيرة تماما.

g ≈ 9.9 m/s²
سؤال 8.5: بندول طوله 2.5 m على سطح القمر، حيث g = 1.6 m/s². احسبوا زمن دورته، وقارنوا مع زمن دورة البندول نفسه على الأرض.
▶تجربة حية — البندول البسيطنغيّر طول الخيط والكتلة وزاوية البداية، ونفحص متى يبقى زمن الدورة مطابقا للصيغة ومتى يبدأ تقريب الزوايا الصغيرة بالفشل.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/physics/mechanics_shm#pend
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/physics/mechanics_shm#pend

مقارنة: رسم القوّة–الموقع في اهتزاز توافقي وغير توافقي – השוואה: גרף כוח–מקום בתנודה הרמונית ולא הרמונית:

−AAxFنابضبندول بزوايا كبيرة
القوّة المُرجِعة كدالّة للموقع: خطّ مستقيم في النابض، ومنحنى في البندول بزوايا كبيرة

في النابض المثالي الرسم البياني للقوّة المُرجِعة كدالّة للموقع خطّ مستقيم يمرّ بنقطة الأصل مهما كانت السعة؛ لذلك يبقى زمن الدورة ثابتا. في البندول تتناسب القوّة مع sin θ: قرب نقطة الأصل ينطبق المنحنى على الخطّ المستقيم، وكلّما كبرت الزاوية انحنى المنحنى تحت الخطّ — القوّة المُرجِعة أصغر ممّا يقتضيه الاهتزاز التوافقي، ولذلك يطول زمن الدورة قليلا مع زيادة السعة.
القاعدة العامّة: كلّ منحنى قوّة–موقع ليس خطّا مستقيما يمرّ بنقطة الأصل يصف اهتزازا دوريا لكنّه غير توافقي، وزمن دورته يتعلّق بالسعة.

أهمّ أفكار الفصل:

ملخّص قوانين الفصل:

القانونالصيغة
التردّد والتردّد الزاويf = 1T , ω = 2πT = 2π·f
القوّة المُرجِعة في الاهتزاز التوافقيF = −k·x
معادلة الحركةa = −km·x = −ω2·x
الموقع كدالّة للزمنx(t) = A·cos(ω·t + φ)
السرعة والتسارعv(t) = −A·ω·sin(ω·t) , a(t) = −A·ω2·cos(ω·t)
القيم القصوىvmax = A·ω , amax = A·ω2
زمن دورة الكتلة والنابضT = 2π·mk
الطاقة في الاهتزازE = 12·k·A2 = 12·m·v2 + 12·k·x2
السرعة في الموقع xv = ω·A2 − x2
استطالة الاتّزان في النابض العموديx0 = m·gk
زمن دورة البندول البسيطT = 2π·ℓg

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

بالعربيةبالعبرية (كما تظهر في الامتحان)English
الحركة الدوريةתנועה מחזוריתPeriodic motion
زمن الدورةזמן מחזורPeriod
التردّدתדירותFrequency
التردّد الزاويתדירות זוויתיתAngular frequency
الاهتزازתנודהOscillation
نقطة الاتّزانנקודת שיווי משקלEquilibrium point
القوّة المُرجِعةכוח מחזירRestoring force
الاهتزاز التوافقي البسيطתנודה הרמונית פשוטהSimple harmonic motion
المهتزّ التوافقيאוסצילטור הרמוניHarmonic oscillator
السعةמשרעתAmplitude
الطور (الطور الابتدائي)מופע (מופע התחלתי)Phase (initial phase)
معادلة الحركةמשוואת תנועהEquation of motion
ثابت النابضקבוע הקפיץSpring constant
الاستطالةהתארכותExtension
طاقة المرونة الوضعية (الطاقة الكامنة المرنة)אנרגיה פוטנציאלית אלסטיתElastic potential energy
البندول البسيطמטוטלת פשוטהSimple pendulum
تقريب الزوايا الصغيرةקירוב הזוויות הקטנותSmall-angle approximation
الراديانרדיאןRadian

تمارين ملائمة لبنود الفصل:

1.
(للبند 8.1) تهتزّ قطعة معدنية بتردّد 4 Hz. احسبوا زمن الدورة والتردّد الزاوي، وعدد الاهتزازات الكاملة في دقيقة.
الإجابات: T = 0.25 s ، ω = 25.1 rad/s ، 240 اهتزازة
2.
(للبند 8.1) يهتزّ جسم بين الموقعين x = −6 cm و x = +6 cm، ويُتمّ 20 اهتزازة كاملة في 10 s.
(أ) ما سعة الاهتزاز؟
(ب) احسبوا زمن الدورة والتردّد.
(ج) ما طول الطريق الذي يقطعه الجسم في دورة واحدة؟
الإجابات: A = 6 cm ، T = 0.5 s ، f = 2 Hz ، الطريق 24 cm
3.
(للبند 8.2) جسم كتلته 4 kg مربوط بنابض ثابته 400 N/m على سطح أفقي أملس. احسبوا زمن الدورة والتردّد.
الإجابات: T = 0.628 s ، f = 1.59 Hz
4.
(للبند 8.2) يهتزّ جسم اهتزازا توافقيا بسعة 5 cm وزمن دورة 0.5 s. احسبوا السرعة القصوى والتسارع الأقصى، واكتبوا x(t) إذا بدأت الحركة من الطرف الموجب.
الإجابات: vmax = 0.628 m/s ، amax = 7.9 m/s² ، x(t) = 0.05·cos(4π·t)
5.
(للبند 8.3) بندول بسيط طوله 40 cm. احسبوا زمن دورته وتردّده.
الإجابات: T = 1.26 s ، f = 0.8 Hz
6.
(للبند 8.3) ما هو طول البندول الذي زمن دورته 3 s؟ وماذا يحدث لزمن الدورة إذا ضاعفنا كتلة الجسم المعلّق؟
الإجابات: ℓ = 2.28 m ؛ زمن الدورة لا يتغيّر

تمارين تلخيصية:

1.
جسم كتلته 0.25 kg مربوط بنابض ثابته 100 N/m يهتزّ بسعة 8 cm. احسبوا سرعته عند مروره في الموقع x = 4 cm، وتسارعه هناك.
الإجابات: v = 1.39 m/s ، a = 16 m/s² (نحو نقطة الاتّزان)
2.
جسم كتلته 0.6 kg معلّق بنابض عمودي ثابته 120 N/m، ويهتزّ بسعة 3 cm. احسبوا استطالة الاتّزان، وقوّة النابض القصوى والدنيا أثناء الاهتزاز.
الإجابات: x0 = 5 cm ، Fmax = 9.6 N ، Fmin = 2.4 N
3.
جسم كتلته 0.2 kg على نابض أفقي ثابته 80 N/m. في لحظة ما كان موقعه 3 cm وسرعته 0.4 m/s. احسبوا سعة الاهتزاز (استعملوا حفظ الطاقة).
الإجابات: A = 3.6 cm
4.
زمن دورة جسم على نابض هو 1.2 s. ما هو زمن الدورة إذا ضاعفنا الكتلة؟ وإذا ضاعفنا ثابت النابض (بالكتلة الأصلية)?
الإجابات: مضاعفة الكتلة: T = 1.7 s ؛ مضاعفة الثابت: T = 0.85 s
5.
عُلّقت كتلة 0.5 kg بنابض عمودي فاستطال 10 cm في الاتّزان. احسبوا ثابت النابض وزمن دورة الاهتزاز حول الاتّزان.
الإجابات: k = 50 N/m ، T = 0.63 s
6.
الطاقة الكلّية لمهتزّ توافقي هي 0.5 J وثابت النابض 250 N/m والكتلة 0.5 kg. احسبوا السعة والسرعة القصوى.
الإجابات: A = 6.32 cm ، vmax = 1.41 m/s
7.
في تجربة قياس g قاس الطلاب زمن 20 دورة لبندول طوله 1.5 m فحصلوا على 25 s (ليس على الأرض!). احسبوا g على ذلك الكوكب.
الإجابات: T = 1.25 s ، g = 37.9 m/s²

تمارين تعمّق:

1.
(*) جسم كتلته 0.3 kg يُربط بالطرف الأسفل لنابض عمودي ثابته 60 N/m، ثم يُحرَّر من السكون من الموضع الذي يكون فيه النابض بطوله الحرّ.
(أ) بيّنوا أنّ الجسم يهتزّ اهتزازا توافقيا سعته A = m·gk واحسبوها.
(ب) احسبوا زمن الدورة والسرعة القصوى.
(ج) احسبوا قوّة النابض القصوى أثناء الاهتزاز وبيّنوا أنّها تساوي ضعف وزن الجسم.
الإجابات: A = 5 cm ، T = 0.44 s ، vmax = 0.71 m/s ، Fmax = 6 N
2.
(*) يهتزّ جسم اهتزازا توافقيا بزمن دورة 1.2 s، ويُحرَّر من السكون من الطرف x = A في اللحظة t = 0.
(أ) احسبوا اللحظة التي يمرّ فيها الجسم لأوّل مرّة في الموقع x = A2.
(ب) أيّ جزء من الطاقة الكلّية يكون طاقة حركية هناك؟
الإجابات: t = T6 = 0.2 s ؛ 75 % من الطاقة حركية
3.
(*) موقع جسم كتلته 0.5 kg مُعطى بالدالّة x(t) = 0.08·cos(4π·t) (بوحدات SI).
(أ) احسبوا ثابت النابض المكافئ.
(ب) احسبوا الطاقة الكلّية للاهتزاز.
(ج) في أيّ المواقع تتساوى الطاقة الحركية مع طاقة المرونة الوضعية؟
الإجابات: k = 79 N/m ، E = 0.25 J ، x = ±5.7 cm
الإجابات النهائية لأسئلة الفصل
8.1 T = 20 ms ، ω = 314.2 rad/s
8.2 نعم، لأنّ الرسم خطّ مستقيم يمرّ بنقطة الأصل؛ k = 60 N/m
8.3 T = 1.26 s ، vmax = 0.5 m/s ؛ زمن الدورة لا يتغيّر
8.4 x0 = 4 cm ، T = 0.4 s ، Fmax = 4 N
8.5 على القمر T = 7.85 s ، على الأرض T = 3.14 s

שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 8

الأسئلة التالية مأخوذة كما هي من امتحانات البجروت لوزارة التربية والتعليم في الفيزياء، نموذج الميكانيكا (מכניקה — 36361): حتى سنة 2025 نعرض النسخة العربية الرسمية للامتحان، ومن سنة 2026 النسخة العبرية كما يحصل عليها الطالب في قاعة الامتحان. تحت كل سؤال جدول البنود والإجابات النهائية. الحل الكامل، خطوة بعد خطوة وبالعربية، مع محاكاة حية للسؤال، موجود في موقع المؤلف: نضغط على الرابط تحت السؤال.
بجروت 2025 السؤال 5 — الحركة التوافقيّة البسيطة — نابض أفقيّ، رسم القوّة مقابل المكان وخطّ التوجُّه
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أهل كلّ حركة دوريّة هي توافقيّة بسيطةلا · مثال مضادّ: كرة مرتدّة مرنًا عن الأرض — دوريّة، لكنّ القوّة المحصّلة عليها ثابتة وتساوي mg
بالرسم المبعثر وخطّ التوجُّهخطّ التوجُّه هو F = −15.9·x · الميل −15.85 N/m · التقاطع +0.05 N ≈ 0
جحساب السرعة الزاويّة ωk = 15.85 N/m · ω ≈ 5.6 rad/s · T = 1.12 s
دمكان السرعة القصوى ومقدارهاالسرعة قصوى في نقطة التوازن x = 0 · v_max = A·ω ≈ 3.4 m/s
هـمقارنة التردُّدَين بين التجربتَينالتردُّد في التجربة الثانية يساوي التردُّد في التجربة الأولى · f = 0.90 Hz · السعة في التجربة الثانية هي 1.2 m
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2025 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2020 السؤال 5 — ثقل على نابض عموديّ في تجربتَين — تعبير الموقع بدلالة الزمن، السرعة عند المرور، الكتلة المضافة، إزاحة نقطة الاتّزان وتمييز رسم التسارع
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أتعبير الموقع y كدالّة للزمنy(t) = 0.20·cos(4·π·t) m ، أي y(t) = 0.20·cos(12.57·t) m
بالسرعة عند المرور الأوّل عبر نصف الإزاحةمقدار السرعة 2.18 m/s ، الاتّجاه نحو الأعلى ، أي الاتّجاه السالب لمحور y ، وذلك في اللحظة t = 0.083 s
جحساب الكتلة المضافة m₂m₂ = 0.0264 kg = 26.4 g
دالبُعد بين نقطتَي الاتّزانΔ = 0.0279 m ، أي 2.79 cm ، ونقطة الاتّزان في التجربة الثانية أخفض
هـتمييز رسم التسارع كدالّة للإزاحةالرسم 1 ، لأنّ a = −ω²·y خطّ مستقيم عبر أصل المحاور بميل ثابت وسالب −157.9 على الثانية المربّعة
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2020 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
بجروت 2019 السؤال 5 — الحركة التوافقيّة · قياس الكتلة بواسطة نابض — زمن الدورة، رسم mB مقابل T، ثابت النابض ومخطّطات القوى الأربعة
البندالمطلوبالإجابة النهائية
أفائدة قياس زمن 10 دوراتالخطأ النسبيّ يصغر 10 أضعاف، من 10% إلى 1%، ولذلك ΔT = 0.02 s
بتعبير لكتلة الجسم B كدالّة لزمن الدورةفي الحل الكامل
جـلماذا لا توجد في المنظومة أزمنة دورة أصغر من ثانية واحدةT_min = 1.0 s، لأنّ mB = 0 هي أصغر كتلة ممكنة وكلّ إضافة كتلة تُطيل زمن الدورة فقط
دحساب ثابت النابضk = 4π² = 39.4784 ≈ 39.5 N/m · وقانون الرسم هو mB = T² − 1
هـمخطّطات القوى الأربعة وموقع الكتلة(1) فوق · (2) في نقطة الاتّزان · (3) فوق · (4) تحت
الحل الكامل بالعربية لامتحان 2019 في موقع المؤلف: fahed-lab.com/physics
لوحة القوانين: كل قوانين هذا الفصل مجموعة مع رسومها وجداول رموزها في الفصل 10 — لوحة القوانين الشاملة. (נוסחאון הספר)