ما هو علم السكون (التوازن) - الاستاتيكا في الفيزياء ؟

علم السكون أو (الاستاتيكا) هو علم دراسة القوى دون الحركية. وبشكل أوضح هو أحد فروع الميكانيكا والذي يتعامل مع القوى في ظل غياب التَغيُّر في الحركة (التوازن). ويقابلها في الجانب الآخر الديناميكا، وهي معنية بدراسة القوى المصاحبة للحركة. وهي أيضًا أحد فروع الميكانيكا وتتعامل مع تأثير القوى على حركة الأشياء. والديناميكا مرتبطة بالتغير في الحركة، والتغيير الذي يُهم هنا هو التسارع.

قد يبدو أن الاستاتيكا تعني الثبات في نفس المكان وعدم التحرك، لكن ليس هذا هو الحال بالضرورة. التسارع هو الذي يُحدث التغيُّر في الحركة. أي أن بقاء الجسم ساكنًا لفترة ممتدة من الوقت، سيكون في هذه الحالة ليس له تسارع. ويعد التحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم لفترة ممتدة من الوقت حالة أخرى من عدم التسارع. وليس هناك فرق بين أن تظل ساكنًا أو تتحرك بسرعة ثابتة.

تتبع الأرض الشمس بإخلاص عبر مجرة درب التبانة بسرعة لا يمكن تصورها (250.000 م/ث)، ولكن نظرًا لأن تسارعها قريب من الصفر (~10−10 m/s2)، فإن هذه الحركة لا يمكن اكتشافها. وكوننا في حالة سكون على الأرض المتحركة، نشعر كما لو كنا في حالة سكون بالنسبة للكون بأكمله.

التوازن المتساوي

عندما لا توجد قوى تؤثر على جسم ما، فإنه لا يتسارع. ويشرح هذا قانون نيوتن الأول للحركة. «الجسم الساكن يبقى ساكنًا ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تحركه، والجسم المتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم يبقى على هذه الحالة ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تُغير الحالة الحركية له».

ويبدو أن هذا يعني أنه عندما تؤثر قوة واحدة أو أكثر على جسم ما، فإنه يجب أن يتسارع، لكن هذا ليس صحيحًا تمامًا، لأنه يتجاهل الجزء الأخير من القانون «ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير الحالة الحركية له».

تستطيع قوة واحدة جعل الجسم يتسارع، ويمكنك اختبار هذا بسهولة من خلال إسقاط شيء ما. ومشاهدته وهو يتسارع.

حسنًا، ربما ليس من السهل اختبار ذلك، لأننا نسقط كل الأشياء تقريبًا في الهواء بالقرب من سطح الأرض. وهذا يعني أن المقاومة موجودة كقوة ثانية. صحيح لكن يمكننا التفكير في مدى تأثيرها.

عندما تكون المقاومة كبيرة، قد يكون من الصعب ملاحظة التسارع أثناء السقوط الحر. وعندما تكون المقاومة قليلة يكون التسارع واضحًا، وباستمرار تقليل المقاومة يصبح التسارع أكثر وضوحًا.

ونستنبط أن الوزن عندما يكون هو القوة الوحيدة المؤثرة على جسم ما، فإنه لا يجعل التسارع يختفي بل يجعله أكثر وضوحًا. إذن، ماذا في حالة وجود قوتين أو ثلاث قوى أو أكثر؟ من السهل اختبار هذا أيضًا.

اجلس على الكرسي أو قف على الأرض أو استلقِ على سريرك، في هذه الحالات الثلاث هناك قوتان تؤثران عليك (الوزن يشدك نحو الأسفل والقوة العمودية تدفعك للأعلى) ولا يوجد تسارع.

هناك عدة طرق لوصف هذا الأمر.

القوة المحصلة تساوي صفر.
توازن القوى.
النظام في حالة توازن.
النظام في حالة توازن ثابت.
النظام في توازن متعدد.

سنشرح هذا بالترتيب:

القوة المحصلة تساوي صفر. هذا هو المفضل لدي (وهذا هو سبب وضعه أولًا)؛ لأنه يتعلق مرة أخرى بالقانون الأول (وهذا سبب آخر لوضعه أولًا). تعني كلمة المحصلة – net (كلِّي أو مجموع، أو إجمالي)، وتعني القيمة الصافية.

يتأثر الشخص الجالس على الكرسي بقوتين مجموعهما صفر، لأن هناك قوة واحدة إيجابية والأخرى سلبية. القوى لها اتجاه وكذلك حجم.

وأبسط طريقة لوصف الاتجاه هي الدالة الرياضية:

محصلة القوى على جسم ما هي مجموع اتجاهات القوى المؤثرة عليه. ويمكن كتابة ذلك بـ F∑ أو Fnet أو بطرق أخرى مشابهة.

توازن القوى

عندما يجلس شخص على كرسي، يكون وزنه متوازنًا مع القوة العمودية المتولدة من الكرسي نحو الأعلى. في هذه الحالة يكون الوزن والقوة العمودية في حالة من التوازن لأنهما يساويان بعضهما.

يؤدي هذا إلى إشكال في بعض الأحيان لأن قانون نيوتن الثالث للحركة ينص على أن «لكل فعل رد فعل، مساوٍ له في الشدة، ويعاكسه في الاتجاه».

كل ثنائيات الفعل ورد الفعل متساوية، لأن هذه هي الطريقة التي يعمل بها الكون. الوزن والقوة العمودية ليسا ثنائي فعل ورد فعل. لكن إذا كانت هاتان القوتان متساويتان عند شخص، فهذا فقط لأن الشخص لا يتسارع.

الجاذبية الأرضية تسحب الشخص نحو الأسفل، والشخص على الأرض هو زوج من ثنائية الفعل ورد الفعل. وتعمل القوتين على جسمين مختلفين (الشخص والأرض). وهذا لا يجعل الوزن قوة متوازنة. القوة العمودية للكرسي والشخص الجالس عليه، هما ثنائي فعل ورد فعل.

مرة أخرى لدينا قوتين تعملان على جسمين مختلفين (الشخص والكرسي). وهذا أيضًا لا يجعل من القوة العمودية قوة متوازنة. سحب الجاذبية، والقوة العمودية تعملان على نفس الجسم (الشخص)، ويتحدان معًا نتيجة لعدم تسارع الجسم. هذه القوى متوازنة.

النظام في حالة توازن
النظام في حالة توازن ثابت
النظام في توازن متعدد

توصف الحالة الفيزيائية للشخص الجالس على الكرسي بأنها حالة (توازن -equilibrium). وأيضًا الجسم الذي لا يتسارع يُعِّبر عن حالة توازن.

الجزء الأول من كلمة (equilibrium) هو “equi” يمكن تمييزها كبداية الكلمة الإنجليزية “equal”، وهي مشتقة من الكلمة اللاتينية”aequalis”. والجزء الثاني يأتي من الكلمة اللاتينية “libra” والتي تشير إلى الميزان – جهاز لقياس الوزن ذو كفتين. فكر في الميزان ذو الكفتين عندما ترى كلمة “equilibrium”.

وكلمة “Libra” هي أيضًا مصدر رمز L المزخرف لرمز الجنيه الإسترليني (£) والليرة الإيطالية السابقة (₤) وهو أيضًا أصل الرمز غير العادي للجنية البريطاني الأمريكي من وزن الرطلlb أو (℔). وتطورت النسخة ذات الخط الأفقي إلى رمز الجنيه الذي لا يظهر الآن سوى على لوحات مفاتيح الهاتف (#).

ومع الكتابة اليدوية السيئة، قد تقرأ أربعة وعشرون رطلًا 24lb؛ على أنها 2416. وكتابتها على هذا الشكل ℔24 أضاف بعض الوضوح ولكنه أضاف أيضًا ضربة قلم إضافية. اكتبها كـ #24 تصبح أسرع وأكثر وضوحًا.

ابتعدنا كثيرًا، دعنا نعود إلى الـequilibrium. نظرًا لأن الكون معقد، فإن القوى المتوازنة تصف نوعًا واحدًا من التوازن.

(التوازن المتعدد -Transitional equilibrium)

تساوي القوى على يمين الجسم تلك التي على يساره والقوى أعلاه تساوي التي أسفله. والقوى إجمالًا لا تضيف أي تأثير على اليمين أو اليسار أو الأعلى أو الأسفل. يكون الجسم في حالة توازن متعدد إذا زادت عدد القوى المؤثرة على الجسم ولم يتسارع في أي إتجاه.

ΣF left = ΣF right

ΣF up = ΣF down

ΣF =0

a =0

لماذا يجب عليك استخدام كلمة “translational”؟ لأن القوى في بعض الأحيان لا تدفع الجسم أو تسحبه بل تجعله يدور. ويسمى الدفع أو السحب الناتج عن الدوران، عزم الدوران. وبالمناسبة؛ الدوران قد يكون له اتزان، ربما سيناقش في مقالة أخرى.

يوضح الرسم أعلاه التوازن الأكثر مثالية، ويعد مثالًا جيدًا لمشكلة القوى وعزم الدوران وكلمة equilibrium”” أيضًا لها معنى في الديناميكا الحرارية فهي فرع الفيزياء الذي يختص بالحرارة (الجزء الحراري) كشكل آخر من أشكال الطاقة (الجزء الديناميكي).

ويحدث التوازن الديناميكي الحراري عندما تتوازن الطاقة الداخلية التي تدخل النظام بكمية متساوية مع الطاقة الداخلية الخارجة من النظام. الطاقة الداخلية المنتقلة من مكان إلى آخر هي الحرارة. وعندما لا يتبادل النظام الحرارة مع محيطه، نقول عنه أنه في حالة توازن ديناميكي حراري، وهذا التوازن نشط وحيوي.