الميكانيكا
السرعة النهائية
راقب السرعة تستقر قبل الهبوط بكثير، والتسارع (a) يهبط نحو 0 بينما تلحق مقاومة الهواء بالجاذبية.
السرعة النهائية — محاكاة الميكانيكا تفاعلية. راقب السرعة تستقر قبل الهبوط بكثير، والتسارع (a) يهبط نحو 0 بينما تلحق مقاومة الهواء بالجاذبية. مختبر فيزياء افتراضي مجاني يعمل في المتصفح مع قياسات حية بوحدات النظام الدولي وشرح موجّه.
السرعة النهائية
كلما تسارع جسم ساقط، تنمو مقاومة الهواء حتى توازن الوزن. يهبط التسارع حينها إلى الصفر وتستوي السرعة.
قبل السرعة النهائية يفوق الوزن المقاومة فيتسارع الجسم. مع ازدياد السرعة تزداد المقاومة حتى تصير المحصلة صفرًا. يسقط الجسم حينها بسرعة نهائية شبه ثابتة.
- F_net = mg − F_drag
- عند السرعة النهائية: a → 0
موجز التحقيق
خطط للسؤال قبل فتح المختبر
تعكس المقدمة الصفحة المُصيّرة مسبقًا: سؤال القيادة، والتوقعات المتنافسة، وأدوار المتغيرات، والقوانين الحاكمة، والتجهيز، والتحليل، وأسئلة التوسع تبقى مرئية وبهذا الترتيب.
السؤال القائد
يسقط مظلي في الهواء الذي يرد عليه بقوة سحب تنمو مع السرعة. إذا غيّر المظلي وضع جسمه لزيادة مقاومة الهواء، فهل سرعة سقوطه المستقرة (السرعة النهائية) تصبح أعلى أم أدنى أم كما هي؟
توقعات للموازنة
- مقاومة هواء أكبر تعطي سرعة نهائية أعلى
- السرعة النهائية نفسها مهما كانت مقاومة الهواء
- مقاومة هواء أكبر تعطي سرعة نهائية أدنى
أدوار المتغيرات
ما تضبطه:
- الكتلة (kg)
- مقاومة الهواء
ما تقيسه:
- السرعة النهائية (m/s)
- الطاقة الحركية عند السرعة النهائية (J)
كيف يجري التحقيق
- افتح تجربة السرعة النهائية. يبدأ مظلي (كرة) قرب أعلى المشهد ويسقط تحت الجاذبية مع تأثير مقاومة الهواء عليه.
- تأكد من تثبيت مسبر السرعة على المظلي، ثم افحص كتلته وقيمة مقاومة الهواء (frictionAir) في لوحة الخصائص.
- لكل صف أدناه، اضبط كتلة المظلي ومقاومة الهواء في لوحة الخصائص لتطابق الجدول، وشغّل المحاكاة حتى تتوقف قراءة سرعة المسبر عن التغير (تقترب من قيمة مستقرة قبل بلوغ المظلي الأرض)، وسجّل تلك السرعة المستقرة.
المعادلة الحاكمة
قانون نيوتن الثاني عند الاتزان — F = m·a
محصلة القوى تساوي الكتلة في التسارع. مع تسارع المظلي تنمو قوة السحب إلى الأعلى حتى توازن شد الجاذبية إلى الأسفل تمامًا — فتهبط المحصلة (ومعها التسارع) إلى الصفر وتتوقف السرعة عن التغير. تلك السرعة المستقرة هي السرعة النهائية التي قستها.
الطاقة الحركية — KE = ½·m·v²
الطاقة الحركية نصف الكتلة في مربع السرعة. متى بلغ المظلي السرعة النهائية فهذه هي الطاقة الحركية التي يحملها لبقية السقوط — طاقة تزيلها مقاومة الهواء باستمرار كحرارة فتبقي السرعة ثابتة.
ما يطلب من الطلاب استخراجه في ورقة العمل القابلة للطباعة
- لكل صف اضرب السرعة النهائية التي قستها في قيمة مقاومة الهواء ثم في 60. ينبغي أن تهبط قريبًا من 9.8 × (1 − air drag) لا 9.8 بالضبط. لماذا؟ تطبق المحاكاة السحب مرة كل إطار لا على نحو مستمر، وذلك يكلف عامل (1 − air drag) واحدًا بالضبط. ماذا يخبرك التوازن عن القوى بعد أن يتوقف المظلي عن التسارع؟
- كل الصفوف بالكتلة نفسها. هل تظهر الكتلة في العلاقة التي وجدتها في السؤال السابق؟ بحسب بياناتك، هل يبلغ مظلي أثقل سرعة نهائية مختلفة عن أخف في هذه المحاكاة؟
أين يظهر هذا خارج المختبر
- مقاومة الهواء الحقيقية تنمو مع مربع السرعة لا مع السرعة مباشرة، وتعتمد شدتها على المقطع العرضي للجسم وكتلته. تنبأ كيف تتغير السرعة النهائية لمظلي حقيقي بين وضع «النسر المفرود» بوضع البطن وبين الغطسة بالقدمين — ولماذا تهم الكتلة لمظلي حقيقي رغم أنها لم تهم في بياناتك أعلاه.
- يفتح مظلي مظلته فتزيد مقاومة هوائه زيادة حادة. بالعلاقة التي وجدتها، تنبأ بما يحدث لسرعة سقوطه بعد لحظة من فتح المظلة، واشرح لماذا لا يقفز فورًا إلى السرعة النهائية الجديدة.
- AP Physics 1 — Unit 2: Force and Translational Dynamics
- AP Physics C: Mechanics — Unit 2: Force and Translational Dynamics
- IB Physics — A.2 Forces and momentum
- General High School Physics — Forces & Newton's laws
- NGSS High School Physics — Forces and Newton's second law
- أهلًا بك في السرعة النهائية
- حدد المظلي
- اضغط تشغيل
- السرعة تستوي
- افتح البيانات
- أحسنت!
افتح المحاكاة التفاعلية لبناء المشهد، واضغط تشغيل، واستكشف بقياسات حية وشرح موجّه.