الحركة الدائرية المنتظمة والقوة المركزية
1 · توقّع
كرة على قضيب تدور حول محور مركزي ثابت بسرعة ثابتة. إذا زدت سرعتها المدارية مع إبقاء نصف القطر نفسه، فهل زمن اللفة الكاملة (الزمن) يطول أم يقصر أم يبقى كما هو؟
- يطول الزمن (يستغرق وقتًا أكثر لكل لفة).
- يبقى الزمن كما هو (السرعة لا تؤثر في الزمن).
- يقصر الزمن (يستغرق وقتًا أقل لكل لفة).
2 · التجهيز
- افتح تجربة الحركة الدائرية. دوّن طول القضيب (نصف قطر المدار) وكتلة الكرة، وتأكد من إطفاء الجاذبية — القضيب وحده يوفر القوة التي تحني المسار.
- تأكد من تثبيت مسبر السرعة على الكرة، وضع مؤقتًا عليها لتوقيت لفة كاملة.
- لكل تجربة أدناه، اضبط كتلة الكرة وطول القضيب (نصف القطر) وسرعتها المماسية الابتدائية، ثم اضغط تشغيل ووقّت لفة كاملة.
3 · اجمع البيانات
| الكتلة m (kg) | نصف القطر r (m) | السرعة المدارية v (m/s) | القوة المركزية F = mv²/r (N) | الزمن T (لفة واحدة) (s) |
|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 2.00 | 3.00 | ||
| 1.00 | 3.00 | 4.00 | ||
| 2.00 | 2.50 | 5.00 |
ارسم الزمن T (المحور y) مقابل r/v (المحور x) لتجاربك الثلاث. صِف شكل الخط.
4 · حلّل
- لمحاولة واحدة، أظهر عملك في حساب الزمن من نصف القطر والسرعة اللذين ضبطتهما (T = 2πr/v) وقارنه بقراءة المؤقت في المحاكاة.
- عبر محاولاتك الثلاث، كيف يغير رفع السرعة عند نصف قطر ثابت الزمن؟ وكيف يغير رفع نصف القطر عند سرعة ثابتة الزمن؟ اشرح كليهما باستخدام T = 2πr/v.
5 · وسّع
- تطفئ هذه التجربة الجاذبية ليكون الحرك منتظمًا حقًا. لو أُعيد تشغيل الجاذبية والقضيب ما يزال يرسم دائرة أفقية، فهل تبقى سرعة الكرة ثابتة عبر اللفة كلها؟ ولماذا؟
- الجسم المداري الحقيقي (ككرة على خيط يُدار باليد) يفقد قليلًا من الطاقة في مقاومة الهواء وفي المحور مع كل لفة. أتتوقع أن يبقى زمنه المقيس ثابتًا تمامًا عبر لفات كثيرة، أم ينحرف — وفي أي اتجاه؟
الفيزياء خلف هذه التجربة
القوة المركزية
القوة إلى الداخل التي يجب أن يوفرها القضيب لتبقى الكرة في دائرة لا في خط مستقيم. تعتمد على كتلة الكرة وسرعتها المدارية (الثابتة) ونصف قطر الدائرة — وهي الشد الذي تشعر به في القضيب عند إعدادات كل تجربة.