الدرس 1-1: التحليل أفقياً ورأسياً
🚴♂️ من الواقع إلى الفيزياء: قصة الدراجة
تخيل أنك تشاهد راكب دراجة ينطلق بأقصى سرعته. في الواقع، المشهد معقد: عجلات تدور، وسائق ينحني، وهواء يضرب وجهه، وطريق خشن. لكن كفيزيائيين، لكي نفهم "كيف يتحرك"، نحتاج لبساطة ووضوح أكثر. هنا نستخدم سحر "النمذجة".
🎯 الخطوة الأولى: نموذج الجسيم (The Particle Model)
بدلاً من دراسة الدراجة بكل تفاصيلها، سنعتبر الدراجة والراكب معاً "جسماً واحداً"، بل وسنتخيلهم نقطة واحدة (جسيم) تتركز فيها الكتلة كلها. نحن نهتم بانتقال الدراجة من مكان لآخر، ولا نهتم الآن بدوران العجلات.
تحليل القوى (مخطط الجسم الحر)
لنفترض أن كتلة الراكب والدراجة معاً $m = 75 \mathrm{~kg}$، وأنه يتسارع بمعدل $0.4 \mathrm{~m/s^2}$. ما هي القوى المؤثرة؟
- قوة القيادة ($D$): القوة التي تدفع الدراجة للأمام.
- قوة المقاومة ($R$): (الهواء والاحتكاك) وهي قوى تعيق الحركة وتكون للخلف.
- الوزن ($W$): جذب الأرض للجسم لأسفل ($W = mg$).
- قوة الاتصال العمودية ($R_N$): دفع الطريق للجسم لأعلى.
💡 مصطلح هام: قوة الاتصال العمودية (Normal Contact Force)
هي قوة تنشأ عندما يلمس جسم سطحاً ما. السطح يدفع الجسم بقوة تكون دائماً عمودية (تضع زاوية $90^\circ$) على السطح نفسه، سواء كان السطح أفقياً أو مائلاً.
🧮 معادلات الحركة (لغة الرياضيات)
1. في الاتجاه الأفقي ($x$): الحركة بتسارع، نطبق قانون نيوتن الثاني:
$$ \sum F_x = m \times a_x $$ $$ D - R = 75 \times 0.4 $$
2. في الاتجاه الرأسي ($y$): لا توجد حركة (اتزان)، العجلة صفر:
$$ \sum F_y = 0 $$ $$ R_N - W = 0 \Rightarrow R_N = 750 \mathrm{~N} $$
(ملاحظة: الكتاب المدرسي قد يستخدم الرمز $P+Q$ للتعبير عن مجموع قوى الاتصال العمودية على العجلتين، هنا رمزنا للمحصلة بـ $R_N$).
🧠 كيف يفكر الفيزيائي؟ (فن النمذجة)
عندما حولنا الدراجة إلى "نقطة" وتجاهلنا شكل السائق، قمنا بعملية نمذجة:
- إهمال المقاومة: في بداية دراستنا، غالباً ما نهمل مقاومة الهواء لتسهيل الحسابات وفهم القوانين الأساسية، رغم أنها موجودة في الواقع.
- الخلاصة: الفيزياء ليست مجرد أرقام، هي فن تحويل العالم المعقد إلى نموذج بسيط يمكن حسابه وتوقعه.