كيف يُفسَّر الثبات الدوراني للأجسام الصلبة؟ وما دور عزم القصور الذاتي في مقاومة التغيرات الزاوية

Question

شرح السؤال:

تدور الكواكب، المراوح، العجلات، وحتى الإلكترونات — فماذا يمنح هذه الأجسام القدرة على الاستمرار في الدوران؟ ولماذا يصعب تغيير حركتها الدورانية بمجرد أن تبدأ؟ هذا السؤال يسلّط الضوء على مفهوم أساسي في فيزياء الحركة الدورانية: عزم القصور الذاتي، ودوره في تفسير الثبات الزاوي.

Answer 1

✅ الإجابة التفصيلية:

أولًا: مفهوم الحركة الدورانية:

• تدور الأجسام حول محور ثابت.

• تُقاس سرعتها الزاوية بوحدة راديان/ثانية.

• عند غياب مؤثر خارجي، تحافظ على سرعتها الزاوية.

ثانيًا: عزم القصور الذاتي (Moment of Inertia):

• يُرمز له بـ .

• يُشبه الكتلة في الحركة الخطية، لكنه للدوران.

• يعبر عن مقاومة الجسم لتغيير حالته الدورانية.

• حيث هي كتلة نقطة، و بعدها عن محور الدوران.

ثالثًا: قانون نيوتن الدوراني:

• : العزم.

• : عزم القصور.

• : التسارع الزاوي.

• مثل في الحركة الخطية.

رابعًا: أمثلة تطبيقية:

• عجلة الدراجة الهوائية: يصعب إيقافها فجأة.

• قرص دوار في معمل الفيزياء: يستمر في الدوران طويلاً دون تأثير خارجي.

• كوكب الأرض: يدور منذ مليارات السنين بسبب اتزان عزمه الزاوي.

التحليل النقدي:

• الجهل بعزم القصور يؤدي لفهم سطحي للدوران.

• الجسم الأخف ليس دائمًا الأسهل في الدوران — بل توزيع الكتلة مهم.

• عجلة ضخمة بكتلة على الحافة قد تكون أصعب في تغيير سرعتها الزاوية من جسم أثقل لكن كتلته أقرب للمحور.

تجارب وأبحاث:

• تجربة الجيروسكوب: يظل محافظًا على اتجاهه بسبب عزم القصور.

• NASA: استخدام عجلات رد الفعل في الأقمار الصناعية لتعديل وضعها بدون وقود.

• تجارب جامعية في ميكانيكا الدوران: مقارنة أقراص مختلفة الكتلة ونمط التوزيع.

ربط بالحياة اليومية:

• عند الجري بمروحة يد صغيرة — تشعر بمقاومة عند تغيير اتجاهها.

• لعبة البلبل تظل تدور بثبات بسبب عزمها الزاوي.

• سائقي الدراجات يعلمون أن الدراجة تكون أكثر استقرارًا كلما زادت سرعة دوران العجلات.

المصادر:

• كتاب الفيزياء – الصف الثاني الثانوي – وحدة الحركة الدورانية.

• NASA Spacecraft Dynamics Lab.

• MIT Physics Rotation Lectures.