المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

الجاذبية

الاحتكاك

قوة الجذب المركزي

القوة العمودية

الحركة الدورانية

قوانين نيوتن للحركة

مقدمة

هل تجيد رقصة الهولا هووب؟ إن لم تكن، فلا تقلق إذ يمكنك القيام بهذا النشاط الممتع دون أي خبرة في الموضوع، وسوف تستكشف بعض الفيزياء المدهشة وراء الرقصة، باستخدام قلم رصاص وشريط مطاطي فحسب.

معلومات أساسية

تتمحور رقصة الهولا هووب حول القوى!

قد لا تفكر كثيرًا في الفيزياء عندما تلعب بطوق الهولا هووب، لكن العديد من القوى المختلفة تعمل على الحفاظ على دوران الطوق وتمنعه من السقوط إلى الأرض. القوة عبارة عن دفع أو سحب يؤثر في الجسم، تستطيع القوى أن تُحرك الأشياء، ولكن ثبات شيء ما لا يعني عدم وجود أي قوى مؤثرة عليه، على سبيل المثال، إذا كنت جالسًا على كرسي الآن، يبذل الكرسي قوى نحو الأعلى تمنعك من السقوط أرضًا، وعلى النقيض، فحركة شيءٍ ما لا تعني بالضرورة أن هناك قوة تؤثر عليه، الجسم المتحرك بسرعة ثابتة يبقى متحركًا في خط مستقيم للأبد، إن لم تكن هناك قوى تُبطيء من حركته، كما ينصّ قانون نيوتن الأول للحركة.

إذًا ما القوى التي تؤثر في طوق الهولا هووب؟

- الوزن، أو قوة الجاذبية التي تسحب الطوق إلى أسفل.

- الاحتكاك، القوة المقاومة للحركة بين سطحين ينزلق كل منهما على الآخر (في هذه الحالة، هي الاحتكاك بين الطوق وملابسك).

- القوة الطبيعية (العمودية) في الفيزياء، "طبيعية" تعني "عمودية على" وليست "عادية" كما تعني في العادة. القوة العمودية هي التي تؤثر عموديًا (بزاوية قائمة) على سطحين متلامسين. على سبيل المثال، الكتاب الموضوع على طاولة تؤثر عليه قوة عمودية تدفعه إلى أعلى، وهو ما يمنعه من السقوط، إذا دفعتَ حائطًا بيدك، سوف يبذل الحائط قوة أفقية عمودية نحو يدك، كما ينصّ قانون نيوتن الثالث للحركة.

- قوة الجذب المركزي، وهي القوة التي تجعل جسمًا دوَّارًا يستمر في الحركة في دائرة، بدلًا من مواصلته الحركة في خط مستقيم. تخيّل، على سبيل المثال، ربط صخرة بخيط ومن ثَمّ تدويرها، فإن شد الخيط يسحب الصخرة ويجعلها تتحرك في دائرة، إذا قطعت الخيط فجأة، لن تعود هناك قوة جذب مركزي تؤثر في الصخرة وسوف تطير بعيدًا بدلًا من الاستمرار في الدوران في دائرة. في الهولا هووب تنتج قوة الجذب المركزي من دفع جسمك للطوق (مزيج من قوة الاحتكاك والقوة العمودية).

كما سترى، الأثر الإجمالي لكل هذه القوى يُحدّد حركة طوق الهولا هووب، كما ينص قانون نيوتن الثاني للحركة.

المواد المستخدمة

  • قلم رصاص
  • شريط مطاطي

التحضير

  • أمسك القلم الرصاص من طرف الممحاة ووجِّه السن إلى أعلى.
  • ضع الشريط المطاطي حول القلم، بحيث يقع على أصابعك.

الطريقة

  • ابدأ تدوير القلم ببطء، ما الذي يحدث؟
  • استمر في تدوير القلم أسرع وأسرع، إلى أي مدى احتجتَ إلى زيادة سرعة الدوران قبل أن يبدأ الشريط المطاطي في الحركة لأعلى؟
  • توقّف عن التدوير، ما الذي يحدث؟
  • حاول تدوير القلم بسرعة شديدة بحيث يطير الشريط المطاطي بعيدًا عن سن القلم، هل يمكنك ذلك؟
  • جرِّب تغيير زاوية القلم في أثناء تدويره، بمعنى: لا تجعل القلم في وضع رأسي تمامًا خلال تدويره، يمكنك إمساك طرف الممحاة بأصابعك وتدوير السن في دائرة، مكوّنًا شكل مخروط ثلاثي الأبعاد في الفراغ، ماذا يحدث إذا جعلت هذا ’المخروط‘‘ أكثر عرضًا؟ هل يزداد تحريك الشريط المطاطي إلى الأعلى سهولة أم صعوبة؟
  • جرِّب تدوير معصمك في أثناء تدويرك القلم، بحيث يصبح القلم أُفقيًا وفي النهاية مقلوبًا (بحيث يشير السن إلى أسفل)، هل يمكنك إبقاء الشريط المطاطي على القلم حتى عندما يكون مقلوبًا؟
  • نشاط إضافي: جرِّب استخدام أشرطة مطاطية بأحجام مختلفة، أيهما يسهل دورانه، شريط مطاطي كبير أم صغير؟

المشاهدات والنتائج

في هذا النشاط يعمل القلم الرصاص كجسد شخص والشريط المطاطي كطوق الهولا هووب، وتمامًا مثل طوق حقيقي، ستكتشف أنك إن لم تُدِر القلم بسرعة كافية، سيقع الشريط المطاطي على الأرض. عندما تدير القلم بسرعة كافية و/أو تجعل المخروط الذي يصنعه القلم في الفراغ أكثر عرضًا، لا بدَّ أن يبدأ الشريط المطاطي في الحركة إلى أعلى، وفي النهاية يطير بعيدًا عن سن القلم!

لفهم هذا: يمكنك الرجوع إلى المعلومات في فقرة المعلومات الأساسية، هل تتذكر مثال قوة الجذب المركزي والصخرة الدوارة على خيط؟ الصخرة "تريد" أن تستمر في الحركة في خط مستقيم، ولكن قوة الجذب المركزي من الخيط تجعلها تتحرك في دائرة.

يسلك الشريط المطاطي سلوكًا مماثلًا، فهو "يريد" أن يطير بعيدًا في خط مستقيم ولكن قوة الجذب المركزي من القلم الرصاص تجعله يتحرك في دائرة. إذا أدرتَ القلم بسرعة كافية، لن تعود قوة الجذب المركزي قوية بما يكفي لإبقاء الشريط المطاطي في مكانه، ولذلك سيبدأ في الانزلاق نحو الخارج (وإلى أعلى)، فيصبح من الصعب للغاية، إن لم يكن من المستحيل، إبقاء الشريط المطاطي على القلم الرصاص عندما تمسكه بالمقلوب.