-
ترجمة عبدالله السويطي
عندما يرمي لاعب كرة بيسبول
-
بسرعة كبيرة، حتما فإن الكرة تكتسب طاقة حركية
-
ونعلم أنه إذا كنت في طريق الكرة
-
فإنها تؤثر عليك بشغل وقد تؤذيك
-
فعليك توخي الحذر
-
ولكن سؤالي هل في الحقيقة معظم الرميات
-
هل في الحقيقة أن معظم الرميات باتجاه المرمى
-
وبدوران كرة البيسبول تعني أن للكرة
-
طاقة حركية إضافية؟
-
نعم لديها، وكيف نكتشف ذلك؟
-
هذا هو هدف الفيديو
-
كيف يمكن تحديد الطاقة الحركية
-
الدورانية للجسم؟
-
حسناً إذا تعرضنا لهذه الفكرة لأول مرة
-
فإننا نتوقع بدايةً
-
حسناً نقول ماهي الطاقة الحركية
-
إن معادلة الطاقة الحركية هي
-
نصف الكتلة ضرب مربع السرعة
-
هذه هي الطاقة الحركية فماذا عن الحركية الدورانية
-
نفرض k الدورانية
-
وماذا تساوي؟
-
حسناً نعلم أنه للأجسام الدورانية
-
أن الدوران المعادل للكتلة هو عزم القصور الذاتي
-
إذاً عوضاً عن الكتلة
-
لدينا عزم القصور الذاتي وذلك بسبب قانون نيوتن الثاني
-
في حالة الدوران نعلم أنه عوضاً عن الكتلة
-
يكون عزم القصور الذاتي
-
وبسبب دوران الجسم فعوضاً عن مربع السرعة
-
يكون مربع السرعة الزاوية
-
يمكنك غالباً الاشتقاق، ليس بالتحديد
-
ولكنه نوع من التخمين العلمي، فيمكنك
-
استنتاج صيغة معادلة للدوران من
-
معادلة خطية وذلك فقط عن طريق التعويض
-
عن كل متغير، فإذا عوضنا عن الكتلة
-
بالكتلة الدورانية، نحصل على عزم القصور الذاتي
-
وإذا عوضنا عن السرعة بالسرعة الدورانية
-
نحصل على السرعة الزاوية وهذه هي صيغة معادلة صحيحة.
-
وفي هذا الفيديو نحتاج إلى الأخذ بهذا السبب
-
لأنه ليس اشتقاقاً فعلياً ، فإننا لم نثبت ذلك
-
إنما فقط وضحنا أن ذلك ممكناً.
-
كيف يمكن إثبات أن هذه هي الطاقة
-
الحركية الدورانية لجسم ما يدور
-
ككرة البيسبول.
-
يجب علينا أن ندرك أولاً أن هذه
-
الطاقة الحركية الدورانية هي ليست نوع جديد
-
من الطاقة الحركية إنما هي نفس الطاقة
-
الحركية لجسم ما يدور.
-
أعني بذلك
-
تخيل أن كرة البيسبول تدور في دائرة
-
وكل نقطة من هذه الكرة تتحرك بنفس السرعة
-
أعني أن هذه النقطة في الأعلى
-
تخيل قطعة من جلد الكرة هنا
-
وتوجد سرعة ما في هذا الاتجاه
-
وأسمي هذه القطعة بـ M1 ، فلدينا
-
كتلة وسرعتها V1
-
وبالمثل هذه النقطة من جلد الكرة هنا
-
نسميها M2 وتتحرك باتجاه الأسفل
-
بسبب دوران الكرة في دائرة، وسرعتها V2
-
أما النقاط القريبة من المحور فإنها تتحرك
-
بسرعة أقل من هذه النقطة
-
وأسميها M3 وتتحرك باتجاه الأسفل بسرعة V3
-
والتي تقل عن السرعتين V2 وV1
-
الخط ليس واضحاً هنا
-
أستخدم لون أخضر أغمق، إذاً M3
-
قريبة من المحور، والذي يوجد عند هذه النقطة تحديداً
-
في المنتصف، وبما أنها قريبة من المحور فإن سرعتها تكون أقل
-
من النقاط التي تبعد عن المحور
-
إذا تعتقد انه معقداً نوعاً ما
-
فكل النقاط على كرة البيسبول تتحرك
-
بسرعات مختلفة، فهذه النقاط
-
القريبة من المحور بالكاد تتحرك على الإطلاق
-
أسمي هذه النقطة بـ M4
-
وتتحرك بسرعة V4
-
المقصود بالطاقة الحركية الدورانية هو
-
حقيقةً مجمل الطاقة الحركية القياسية
-
التي تملكها كل هذه النقاط حول مركز الكرة
-
إذاً بمعنى آخر يقصد بـ K الدورانية
-
فقط حاصل جمع طاقة كل النقاط
-
لدينا نصف، إن لقطعة جلد الكرة
-
هنا طاقة حركية
-
إذاً نكتب نصف الكتلة1 ضرب السرعة1 تربيع زائد
-
وأيضاً M2 تملك طاقة حركية
-
ولاتقلق بشأن اتجاهها إلى الأسفل
-
فالاتجاه لا يعنينا للكميات الغير متجهة
-
ضرب مربع السرعة، بما أن الطاقة الحركية ليست متجه
-
فلا يعنينا إذا كانت سرعة تتجه إلى الأسفل
-
لأنها فقط مقدار وبالمثل
-
نضيف نصف الكتلة3 ضرب السرعة3 تربيع
-
ربما قد تفكر أن ذلك مستحيلاً
-
لأنه يوجد عدد لا نهائي من النقاط على كرة البيسبول
-
فكيف يمكنني حل ذلك
-
حسناً أمر عجيب على وشك الحدوث الآن
-
وهذا من الاشتقاقات المفضلة لدي
-
بسيطة وسهلة ، تابع ماذا يحدث
-
K الدورانية هي في الحقيقة
-
حاصل جمع كل هذه الكميات، نكتب
-
محصلة نصف الكتلة ضرب السرعة تربيع لكل نقطة
-
على كرة البيسبول، إذاً تخيل تفكيك الكرة إلى
-
العديد من القطع الصغيرة
-
لن نقوم بذلك فعلياً ولكن فكر فيه ذهنياً
-
معتبراً العديد من الجزيئات والقطع
-
الصغيرة جداً من كرة البيسبول ومدى سرعة حركتها
-
ما أريد قوله إذا جمعت كل النقاط
-
تحصل على مجمل الطاقة الحركية الدورانية
-
وهذا يبدو مستحيلاً
-
ولكن أمراً عجيبا على وشك الحدوث
-
فيمكننا هنا
-
إعادة الكتابة، فالمشكلة هنا السرعة
-
لأن كل النقاط تتحرك بسرعات مختلفة
-
ولكن يمكن استخدام حيلة نفضلها
-
في الفيزياء، بدلاً من كتابة السرعة
-
نكتب السرعة بدلالة ، وتذكر في الأجسام
-
الدورانية السرعة تساوي r ضرب أوميجا
-
ونصف القطر هو المسافة التي تبعد عن المحور
-
ضرب السرعة الزاوية
-
وهذه الصيغة عملية كثيراً، إذا نستبدل السرعة
-
بنصف القطر ضرب أوميجا
-
ومازال علينا التربيع، وعند هذه النقطة
-
ربما تفكر ان الأمر ازداد سوءاً
-
فكيف يمكن حل ذلك
-
حسناً محصلة نصف الكتلة
-
وأكتب نصف القطر تربيع وأوميجا تربيع
-
والسبب في أن الكتابة بهذه الصورة أفضل أن
-
كل نقطة على الكرة لديها سرعة مختلفة V
-
ولكن نفس السرعة الزاوية أوميجا
-
وهذا مايعتبر جيداً بالنسبة للكميات الزاوية
-
أنها متساوية لكل نقطة على كرة البيسبول
-
وبغض النظر عن المسافة التي تبعدها عن محور الكرة
-
وبما أن اوميجا متساوية لكل النقاط يمكنني
-
التخلص منها من عملية الجمع، إذاً أعيد
-
كتابة المحصلة مع إبقاء جميع الثوابت
-
لكل النقاط خارج عملية الجمع، إذاً
-
أكتب نصف ضرب محصلة
-
الكتلة ضرب نصف القطر تربيع وأغلق القوس
-
وأضيف مربع أوميجا خراج القوس
-
لأنها ثابتة
-
إنني فقط أحلل هذا العامل من جميع
-
الرموز في المحصلة ، كما هو موضح بالأعلى
-
العامل المشترك هنا هو نصف
-
نبسط العبارة بأخذ نصف عامل مشترك
-
ونكتبها ككمية واحدة
-
نصف الكتلة1 ضرب السرعة1 تربيع زائد
-
الكتلة2 ضرب السرعة 2 تربيع وهكذا
-
وهذا ما أفعله هنا بالنسبة للنصف
-
ومربع أوميجا، فمايعتبر جيدا
-
بالنسبة لاستبدال السرعة بأوميجا ضرب نصف القطر
-
أن أوميجا لها نفس القيمة لكل النقاط
-
فيمكن أخذها كعامل مشترك
-
ربما مازلت قلقاً
-
بسبب وجود الكتلة فلدينا
-
كتل مختلفة في نقاط مختلفة
-
لم نتخلص بعد من جميع أنصاف الأقطار تربيع
-
فكل النقاط لديها أنصاف أقطار مختلفة
-
كلهن نقاط مختلفة
-
تبعد بمسافات مختلفة عن المحور فلا يمكننا
-
اعتبارها عاملاً مشتركاً، حسناً إذا كنت نبيهاً
-
تنتبه إلى هذه العبارة
-
المحصلة هنا ماهي إلا محصلة عزم
-
القصور الذاتي للجسم
-
تذكر أن عزم القصور الذاتي للجسم
-
والذي تعلمناه سابقاً هو الكتلة ضرب نصف لقطر تربيع
-
إذاً عزم القصور الذاتي لكتلة نقطية هو
-
الكتلة ضرب مربع نصف القطر وعزم القصور الذاتي
-
لمجموعة كتل نقطية هو حاصل جمع
-
الكتلة ضرب مربع نصف القطر، وهذا مايوجد لدينا هنا
-
وماهو إلا عزم القصور الذاتي لكرة البيسبول
-
أو أي جسم آخر، فلا يجب أن يكون
-
ذو شكل معين، إذاً نضيف مجموع
-
الكتلة ضرب مربع نصف القطر وهو دائماً يساوي
-
مجموع عزم القصور الذاتي
-
إذاص توصلنا إلى K الدورانية
-
تساوي نصف ضرب هذه القيمة
-
وهي I عزم القصور الذاتي
-
ضرب أوميجا تربيع وهذه هي الصيغة
-
التي استنتجناها سابقاً بالتخمين
-
ولكنها في الحقيقة فعالة وسبب ذلك
-
أننا دائما نحصل على هذه الكمية
-
التي تساوي نصف أوميجا تربيع، وبغض النظر
-
عن شكل الجسم
-
إذاً ماتدل عليه هذه الكمية هو
-
مجموع الطاقة الحركية الدورانية
-
لجميع النقاط على الجسم حول محور
-
الجسم ، ولكننا لم نحصل عليها
-
فإن هذه العبارة لا تحتوي
-
على الطاقة الحركية الانتقالية، فالحقيقة هي
-
أن كرة البيسبول كانت طائرة في الهواء ولم
-
تندمج في صيغة هذه المعادلة
-
لم نأخذ في الاعتبار حقيقة
-
تحليق كرة البيسبول في الهواء
-
وبمعنى آخر لم نأخذ في الاعتبار
-
أن مركز كتلة كرة البيسبول
-
كان منتقلاً عبر الهواء
-
ولكن يمكن حساب ذلك في هذه الصيغة هنا
-
هذه هي الطاقة الحركية الانتقالية
-
في بعض الأحيان بدلاً من كتابة الطاقة الحركية الخطية
-
وبما انه لدينا طاقتين ، فيجب علينا تحديد
-
الطاقة الحركية الانتقالية
-
إذاً نحصل على صيغة الطاقة الحركية الانتقالية
-
إن الطاقة تعود إلى حقيقة ان مركز
-
كتلة الجسم متحرك، ولدينا الصيغة
-
التي تعتبر الأجسام لديها
-
طاقة حركية بسبب دورانها.
-
وهذه هي K الدورانية، فإذا كان الجسم يدور
-
فإنه يمتلك طاقة حركية دورانية
-
وإذا كان الجسم متنقل فإنه يمتلك
-
طاقة حركية انتقالية
-
وذلك يعني أن مركز الكتلة متحرك
-
وإذا كان الجسم متنقلاً ودورانياً
-
فإنه يمتلك كلا الطاقتين الحركية
-
في نفس الوقت وهذا الشيء يعد جميلاً
-
فإذا كان الجسم متنقلاً ودورانياً ونريد
-
حساب مجموع الطاقة الحركية لكل الجسم
-
فإننا نجمع كلا العبارتين هنا
-
فإذا اخذنا الانتقالية على حدة نصف الكتلة ضرب مربع السرعة
-
تكون سرعة مركز الكتلة
-
إذا يجب عليك الانتباه
-
أترك مساحة فارغة، أتخلص من جميع
-
الكتابة هنا
-
إذاً نصف الكتلة ضرب سرعة مركز
-
الكتلة تربيع، نحصل على مجموع الطاقة
-
الحركية الانتقالية لكرة البيسبول
-
وإذا أضفنا نصف عزم القصور الذاتي ضرب أوميجا تربيع
-
وأوميجا حول مركز الكتلة نحصل على
-
مجموع الطاقة الحركية، الانتقالية والدورانية معاً
-
إذاً هذا رائعاً فيمكننا تحديد كل الطاقة الحركية
-
بالإجمال الحركة الدورانية والحركة الانتقالية
-
فقط من خلال جمع هاتين العبارتين
-
نأخذ مثال على ذلك
-
أتخلص من كل هذا
-
نفرض رجلاً رمى كرة البيسبول
-
وتوضح بالكاميرا أن الكرة رميت
-
في الهواء بسرعة 40 م/ث
-
إذاً تتجه الكرة نحو المرمى بسرعة 40 م/ث
-
إن مركز كتلة الكرة يتجه
-
بسرعة 40 متر في الثانية باتجاه المرمى
-
نفرض رجلاً آخر رمى الكرة بسرعة كبيرة
-
مما نتج عن دوران الكرة بسرعة زاوية
-
مقدارها 50 راديان في الثانية
-
بعد البحث عرفت كتلة كرة البيسبول
-
إن كتلة الكرة تقريباً 0.145 كيلو جرام
-
ومقدار نصف قطر الكرة
-
تقريباً 7 سنتيميتر، أو بدلالة المتر يساوي
-
0.07 متر، إذاً يمكن استنتاج
-
مجمل الطاقة الحركية، التي تتكون من
-
طاقة حركية دورانية و
-
طاقة حركية انتقالية
-
إن الطاقة الحركية الانتقالية تساوي نصف
-
الكتلة ضرب مركز سرعة كتلة
-
الكرة تربيع وهذا يساوي نصف
-
الكتلة التي مقدارها 0.145 ومركز
-
السرعة يساوي 40، وهو مايدل على مدى سرعة
-
تحرك مركز كتلة الكرة
-
وعند حساب ذلك نحصل على 116 جول وهو
-
مقدار الطاقة الحركية الانتقالية
-
وكم الطاقة الحركية الدورانية الموجودة
-
إذاً نكتب الطاقة الحركية الدورانية
-
والناتجة عن دوران الكرة
-
نكتب نصف عزم القصور الذاتي ضرب مربع أوميجا
-
إذاً نصف ، وماهو I ، حسناً بما أن الكرة
-
جسم كروي، وإذا بحثت عن عزم القصور الذاتي للجسم الكروي
-
لأنني لا أرغب بجمع كل
-
نواتج الكتلة ضرب نصف القطر تربيع، إذا فعلنا ذلك باستخدام التفاضل
-
نحصل على هذه الصيغة
-
أعني في علم الجبر الفيزيائي
-
عليك البحث عن ذلك إما في كتابك
-
في رسم بياني او جدول، او يمكنك البحث عبر الإنترنت
-
إذاً عزم القصور الذاتي لجسم كروي يساوي 2/5 ضرب الكتلة ضرب مربع نصف القطر
-
بمعنى آخر 2/5 كتلة الكرة
-
ضرب ارتفاع الكرة تربيع
-
وهذا هو عزم القصور الذاتي لجسم كروي
-
إذاً نفرض كرة البيسبول كروية تماماً
-
أي أنها ذات كثافة منتظمة وهذا ليس صحيحاً كلياً
-
ولكنه تقريب جيد
-
نكمل الصيغة بالضرب في مربع أوميجا
-
أي السرعة الزاوية تربيع
-
إذاص نحصل على نصف ضرب
-
2/5 ضرب كتلة الكرة ومقدارها 0.145
-
ونصف قطر الكرة يساوي تقريباً
-
0.07 متر تربيع وأخيراً
-
ضرب أوميجا تربيع والتي بوحدة
-
راديان / ثانية إذاً 50 تربيع
-
والناتج يساوي 0.355 جول
-
إذا بالكاد تكون طاقة كرة البيسبول
-
في دورانها.
-
فإن معظم الطاقة على هيئة طاقة
-
انتقالية، وهذا منطقي
-
لأن الكرة في الحقيقة ألقيت باتجاه
-
المرمى، وتسبب لك الأذى في حال اصطدامك بها
-
بعكس الحقيقة عند دورانها
-
واصطدامها بك فلن تتسبب بأذىً كبيراً
-
وذلك يعود إلى أن معظم طاقة كرة البيسبول الحركية
-
على هيئة طاقة حركية انتقالية
-
ولكن إذا أردت حساب مجمل الطاقة الحركية للكرة
-
تجمع كلتا العبارتين
-
مجمل k تساوي الطاقة الحركية الانتقالية
-
زائد الطاقة الحركية الدورانية
-
إذاً مجمل الطاقة الحركية يساوي 116 جول
-
زائد 0.355 جول والناتج
-
116.355 جول
-
إذا للتلخيص إذا كان الجسم دوراني
-
ومتحرك يمكنك حساب الطاقة
-
الحركية الانتقالية باستخدام نصف الكتلة ضرب سرعة
-
مركز الكتلة تربيع ويمكنك
-
حساب الطاقة الحركية الدورانية باستخدام
-
نصف عزم القصور الذاتي (I)
-
حسناً نفرض أي شكل للجسم
-
فإذا كانت كتلة نقطية تتحرك في دائرة كبيرة
-
إنستخدم الكتلة ضرب مربع نصف القطر ، وإذا كانت كروية
-
تدور حول المركز نستخدم 2/5
-
الكتلة ضرب مربع نصف القطر، للإسطوانة نستخدم نصف الكتلة في مربع نصف القطر
-
يمكنك البحث في الجداول لإيجاد
-
قيمة عزم القصور الذاتي، ضرب مربع السرعة
-
الزاوية للجسم حول مركز الكتلة
-
وعند جمع العبارتين نحصل على
-
مجمل الطاقة الحركية للجسم