قد يظن البعض أن الجسم الذي تتلاشى القوى المؤثرة فيه يبقى ساكناً تماماً.
هذا صحيح في الحركة الانتقالية فقط، أما إذا أثرت فيه قوتان متساويتان في المقدار ومتضادتان في الاتجاه، وخط عملهما ليس واحداً، فإن الجسم يدور حول نقطة دون أن ينتقل.
وهذا هو الازدواج، وهو من أهم الأفكار في الاستاتيكا.
مثال ذلك القوتان اللتان يديرهما السائق بيديه على عجلة القيادة، فكل قوة تحاول أن تدفع العجلة في اتجاه، والأخرى في الاتجاه المعاكس، والنتيجة دوران العجلة فقط.
ولفهم هذه الحالة نحتاج إلى مفهومين مجموع القوى المؤثرة، ومجموع العزوم حول نقطة، وسنرى أن الازدواج له مجموع قوى صفري، ولكن له عزم دوراني لا يساوي صفراً.
الازدواج وعزم الازدواج · 1 / 10
تعريف الازدواج
تعريف الازدواج
الازدواج نظام يتكون من قوتين متساويتين في المقدار
ومتضادتين في الاتجاه
ولا يقع خطا عملهما على استقامة واحدة
أي أن بينهما بعداً عمودياً يسمى ذراع الازدواج.
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
المحصلة الخطية
صفر
لأن القوتين متساويتان ومتضادتان
فلا توجد حركة انتقالية
القوتينمتساويتانومتضادتانتوجد
الأثر
دوران محض للجسم حول نقطة ما
تتوقف سرعته على مقدار القوتين والبعد بينهما
دورانللجسمنقطةتتوقف
الشرط الأساسي
أن يكون خطا العمل متوازيين ومتباعدين
فإذا انطبقا على خط واحد انعدم العزم
يكونالعملمتوازيينومتباعدين
•
لذلك لا يمكن أن يتزن الازدواج بقوة واحدة
لأن القوة الواحدة تحدث حركة انتقالية
ولا يتزن إلا بازدواج آخر مساوٍ له في المقدار ومضاد له في الاتجاه
لذلكيتزنالازدواجبقوة
الازدواج وعزم الازدواج · 2 / 10
عزم الازدواج وقياسه
عزم الازدواج وقياسه
عزم الازدواج هو مقدار التأثير الدوراني له
ويساوي حاصل ضرب إحدى القوتين في البعد العمودي بين خطي عملهما:
عجلة قيادة تدفعها يدان بقوتين متساويتين 10 نيوتن تمثل الازدواج وعزمه: العزم 4 نيوتن.م.
ع = ق × ف
حيث ق مقدار إحدى القوتين، وف البعد العمودي بين خطي عملهما.
ويقاس العزم بوحدة القوة مضروبة في وحدة الطول، فيكون نيوتن.متر أو نيوتن.سم.
ولتحديد إشارة العزم نتفق على أن الدوران عكس عقارب الساعة يعطي عزماً موجباً، والدوران مع عقارب الساعة يعطي عزماً سالباً.
وعند حساب مجموع عزوم عدة ازدواجات تُجمع هذه الإشارات جبرياً.
إذا كان البعد بين خطي العمل مُعطى بالسنتيمتر، والنتيجة مطلوبة بالمتر، نحول قبل الحساب.
لا يُستخدم البعد بين نقطتي تأثير القوتين إلا إذا كان عمودياً على خطي العمل.
الازدواج وعزم الازدواج · 3 / 10
خصائص عزم الازدواج
خصائص عزم الازدواج
لعزم الازدواج خاصيتان أساسيتان نحتاجهما في حل المسائل:
ثبات العزم عزم الازدواج لا يتغير بتغير النقطة التي نأخذ العزوم حولها، لأن المحصلة الخطية للقوتين صفر، فتكون عزومهما حول أي نقطة متساوية في الحاصل.
يتحدد بالمقدار والاتجاه فقط يعتمد العزم على مقدار القوتين والبعد العمودي بينهما، ولا يهم موقع الازدواج في المستوى.
ويترتب على ذلك أن الازدواج يمكن نقله في مستوى الجسم أو تدويره دون أن يتغير تأثيره، طالما بقي العزم كما هو.
فقوتان مقدار كل منهما 6 نيوتن والبعد بينهما 1 م تكافئان قوتين مقدار كل منهما 3 نيوتن والبعد بينهما 2 م، لأن حاصل ضرب القوة في البعد في الحالتين يساوي 6 نيوتن.متر.
وهذا يعني أن العامل الحاسم في تأثير الازدواج هو حاصل الضرب، وليس كل مقدار على حدة.
الازدواج وعزم الازدواج · 4 / 10
الازدواج المحصل واتزان الازدواجات
الازدواج المحصل واتزان الازدواجات
إذا أثرت عدة ازدواجات في جسم واحد في مستوى واحد
فإن عزم الازدواج المحصل يساوي المجموع الجبري لعزومها:
عمحصل = ع1 + ع2 + ع3 + …
ويكون الجسم متزناً تحت تأثير مجموعة من الازدواجات المستوية إذا كان المجموع الجبري لعزومها صفراً، أي إذا تساوت العزوم في المقدار واختلفت في الاتجاه.
وهذه الحالة تكافئ ازدواجين متساويين ومتضادين في العزم.
وعند حل المسائل نحدد الاتجاه الموجب أولاً، ثم نجمع العزوم بإشاراتها.
فإذا كانت النتيجة موجبة، فالازدواج المحصل يدور عكس عقارب الساعة، وإذا كانت سالبة فيدور مع عقارب الساعة.
الازدواج وعزم الازدواج · 5 / 10
استبدال القوى بازدواج
استبدال القوى بازدواج
لنقل قوة من نقطة إلى أخرى في الجسم نفسه دون أن نغير تأثيرها، نضيف عند النقطة الجديدة قوتين متساويتين ومتضادتين مقدار كل منهما مساوٍ للقوة الأصلية وتوازيها.
فتلغى القوتان الجديدتان، وتبقى القوة الأصلية عند النقطة الجديدة، ويتكون ازدواج عزمه يساوي القوة في البعد العمودي بين موضعيها.
وبهذه الطريقة ننقل أي قوة إلى نقطة أخرى مع إضافة ازدواج:
ع = ق × ف، حيث ف البعد العمودي بين موضعي القوة القديم والجديد
أما إذا كانت مجموعة من القوى المستوية محصلتها الخطية صفراً، ومجموع عزومها حول نقطة لا يساوي صفراً، فإنها تكافئ ازدواجاً، وعزم هذا الازدواج يساوي مجموع العزوم حول أي نقطة.
وفي حالة ثلاث قوى مستوية تمثلها أضلاع مثلث مأخوذة في ترتيب دوري، تكون محصلتها صفراً، وتكافئ ازدواجاً معياره يساوي حاصل ضرب ضعف مساحة المثلث في مقدار القوة الممثلة لوحدة الأطوال.
الازدواج وعزم الازدواج · 6 / 10
تطبيقات على الازدواج
تطبيقات على الازدواج
عجلة القيادةيديرها السائق بقوتين متضادتين في اتجاهين مختلفين عند طرفي القطر، فتتولد عزم دوراني.
المفكتُدار رأسه بقوتين عند الجانبين، فيتولد ازدواج يدير المسمار دون أن ينتقل المفك.
اتزان الأجسامالأجسام المعرضة لأزواج من القوى تكون متزنة إذا تساوت عزومها واختلفت في الاتجاه.
الازدواج وعزم الازدواج · 7 / 10
أمثلة محلولة
أمثلة محلولة
المثال الأول: حساب عزم ازدواج
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
•
أثر ازدواج بقوتين مقدار كل منهما 20 نيوتن
والبعد العمودي بينهما 0.3 متر. أوجد عزم الازدواج
ازدواجبقوتينمقدارمنهما
الحل
ع = 20 × 0.3 = 6 نيوتن.متر
والدوران في الاتجاه المحدد في المسألة
نيوتنوالدورانالاتجاهالمحدد
التحقق
إذا قسمنا العزم على إحدى القوتين نعود إلى البعد: 6 ÷ 20 = 0.3 متر
قسمناالعزمإحدىالقوتين
المثال الثاني: ثبات العزم بتغير النقطة
قوتان مقدار كل منهما 5 نيوتن، مؤثرتان أفقيتان ومتضادتان، الأولى عند النقطة A(0، 0) والثانية عند النقطة B(3، 4) بالسنتيمتر، والقوة الأولى في اتجاه محور السينات الموجب، والثانية في الاتجاه السالب.
ونجد أن البعد العمودي بين الخطين هو 4 سم، والقوة 5 نيوتن، فحاصل الضرب 20 نيوتن.سم، وهو يساوي المجموع السابق كما تنص القاعدة.
المثال الثالث: نقل قوة إلى نقطة أخرى
قوة مقدارها 10 نيوتن تؤثر في نقطة A من جسم متماسك، ونريد نقلها إلى نقطة B تبعد عنها 0.4 متر عمودياً على خط عمل القوة، دون أن يتغير تأثيرها.
أوجد الازدواج الذي يجب إضافته.
الحل نضيف عند B قوتين متساويتين ومتضادتين مقدار كل منهما 10 نيوتن ومتوازيتين مع القوة الأصلية، فتلغى القوتان المضافتان، وتبقى قوة 10 نيوتن عند B، ويتكون ازدواج عزمه = 10 × 0.4 = 4 نيوتن.متر.
التحقق←عزم القوة الأصلية حول B يساوي 4 نيوتن.متر، وهو يساوي عزم الازدواج المضاف، فلا يتغير التأثير الدوراني للجسم.
المثال الرابع: الازدواج المحصل لعدة ازدواجات
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
ثلاثة ازدواجات تؤثر في جسم في مستوى واحد
الأول مقدار قوتيه 6 نيوتن وبعدهما 0.5 متر ويدور عكس عقارب الساعة
والثاني قوتاه 4 نيوتن وبعدهما 1.5 متر ويدور مع عقارب الساعة
والثالث قوتاه 5 نيوتن وبعدهما 0.8 متر ويدور عكس عقارب الساعة. أوجد عزم الازدواج المحصل واتجاهه
قوى مقاديرها 10 و24 و26 نيوتن تؤثر في جسم في اتجاهات أضلاع مثلث قائم أطوال أضلاعه 5 و12 و13 سم، وتمثلها تمثيلاً تاماً أضلاعه مأخوذة في ترتيب دوري.
أثبت أن المجموعة تكافئ ازدواجاً وأوجد عزمه.
الحل نسبة القوة إلى طول الضلع: 10 ÷ 5 = 24 ÷ 12 = 26 ÷ 13 = 2 نيوتن لكل سم، إذن القوى تمثلها أضلاع المثلث تماماً. ومحصلة الثلاث صفر، فالمجموعة تكافئ ازدواجاً.