المناهج الدراسية
تسجيل الدخول

المناهج الدراسية

الرياضيات التطبيقية — الصف الثالث الثانوي

نص الدرس

الازدواج وعزم الازدواج

الرياضيات التطبيقية — الصف الثالث الثانوي

الازدواج وعزم الازدواج

مقدمة: لماذا يدور الجسم دون أن يتحرك؟

مقدمة: لماذا يدور الجسم دون أن يتحرك؟

  • 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

  1. الازدواج نظام يتكون من قوتين متساويتين في المقدار
  2. ومتضادتين في الاتجاه
  3. ولا يقع خطا عملهما على استقامة واحدة
  4. أي أن بينهما بعداً عمودياً يسمى ذراع الازدواج.
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات 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

  1. عزم الازدواج هو مقدار التأثير الدوراني له
  2. 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.
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

  1. إذا أثرت عدة ازدواجات في جسم واحد في مستوى واحد
  2. 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.
الصنبور والمفاتيحتستخدم ازدواجات لإدارة المحابس وتحريك الأغطية الملولبة.
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 المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات 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
التحققإذا قسمنا العزم على إحدى القوتين نعود إلى البعد: 6 ÷ 20 = 0.3 مترقسمناالعزمإحدىالقوتين

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.
  • أوجد عزم الازدواج حول النقطة O(1، 1).
  • الحل نستخدم العلاقة م = س × قص − ص × قس. بالنسبة للقوة الأولى: الذراع (س، ص) = (0 − 1، 0 − 1) = (−1، −1)، والقوة (5، 0)، فيكون عزمها = (−1)(0) − (−1)(5) = 5 نيوتن.سم.
  • بالنسبة للقوة الثانية الذراع = (3 − 1، 4 − 1) = (2، 3)، والقوة (−5، 0)، فيكون عزمها = 2 × 0 − 3 × (−5) = 15 نيوتن.سم.
  • مجموع العزمين = 5 + 15 = 20 نيوتن.سم = 0.2 نيوتن.متر.
  • 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 المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات 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
الأولمقدارقوتيهنيوتن
الحلع1 = 6 × 0.5 = +3 نيوتن.متر، و ع2 = 4 × 1.5 = −6 نيوتن.متر، و ع3 = 5 × 0.8 = +4 نيوتن.متر. المجموع الجبري = 3 − 6 + 4 = +1 نيوتن.متر.نيوتنالمجموعالجبري
النتيجة
  • الازدواج المحصل عزمه 1 نيوتن.متر
  • ويدور الجسم عكس عقارب الساعة
الازدواجالمحصلعزمهنيوتن

المثال الخامس: استبدال مجموعة قوى بازدواج

  • 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.
  • مساحة المثلث = ½ × 5 × 12 = 30 سم2، ومعيار عزم الازدواج = 2 × 30 × 2 = 120 نيوتن.سم = 1.2 نيوتن.متر.
  • التحقق بأخذ العزوم حول أحد رؤوس المثلث نحصل على القيمة نفسها 120 نيوتن.سم.

المثال السادس: عزم مجموعة قوى متوازية الأضلاع

  • مستطيل ABCD طول AB = 40 سم وطول BC = 30 سم.
  • تؤثر قوة 10 نيوتن عند A في اتجاه AB، وقوة 10 نيوتن عند C في اتجاه CD، وتؤثر قوة 6 نيوتن عند B في اتجاه BC، وقوة 6 نيوتن عند D في اتجاه DA.
  • أوجد عزم الازدواج المحصل.
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الحل
  • القوتان 10 نيوتن تكونان ازدواجاً بعده 30 سم
  • عزمه 10 × 30 = 300 نيوتن.سم عكس عقارب الساعة. والقوتان 6 نيوتن تكونان ازدواجاً بعده 40 سم
  • عزمه 6 × 40 = 240 نيوتن.سم عكس عقارب الساعة أيضاً
القوتاننيوتنتكونانازدواجا
•
  • العزم المحصل = 300 + 240 = 540 نيوتن.سم = 5.4 نيوتن.متر
  • عكس عقارب الساعة
العزمالمحصلنيوتنعقارب
التحقق
  • بأخذ العزوم حول الرأس C نجد النتيجة نفسها
  • لأن عزم الازدواج لا يتغير بتغير النقطة
بأخذالعزومالرأسالنتيجة
الازدواج وعزم الازدواج · 8 / 10
أخطاء شائعة

أخطاء شائعة

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
اعتبار الازدواج محصلة قوة
  • الازدواج لا يعطي محصلة خطية
  • ولا يمكن تعويضه بقوة واحدة
يعطيخطيةتعويضهبقوة
الظن بأن العزم يتغير بتغير النقطة
  • عزم الازدواج ثابت
  • والخطأ يقع في حساب العزوم الفردية بغير تجميعها
الازدواجثابتوالخطأحساب
استخدام بعد غير عمودي
  • ذراع الازدواج هو البعد العمودي بين خطي العمل
  • فإذا أُعطيت المسافة المائلة نحسب المركبة العمودية أولاً
ذراعالازدواجالبعدالعمودي
إغفال الإشارة
  • عند جمع الازدواجات نضع الدوران عكس عقارب الساعة بإشارة موجبة
  • ومع عقارب الساعة بإشارة سالبة
الازدواجاتالدورانعقاربالساعة
خلط وحدات السنتيمتر والمتريجب توحيد الوحدات قبل ضرب القوة في البعدتوحيدالوحداتالقوةالبعد
الازدواج وعزم الازدواج · 9 / 10
ملخص الدرس

ملخص الدرس

  • الازدواج قوتان متساويتان في المقدار، متضادتان في الاتجاه، وخطا عملهما غير منطبقين.
  • محصلة الازدواج الخطية صفر، لذلك يحدث دوراناً محضاً دون حركة انتقالية.
  • عزم الازدواج ع = ق × ف، وهو ثابت لا يتغير بتغير النقطة التي نأخذ العزوم حولها.
  • عزم الازدواج المحصل يساوي المجموع الجبري لعزوم الازدواجات، والجسم يتزن إذا كان هذا المجموع صفراً.
  • يمكن نقل القوة إلى نقطة أخرى مع إضافة ازدواج عزمه ق × ف.
  • مجموعة قوى محصلتها صفر وعزومها غير صفرية تكافئ ازدواجاً، ويُحسب عزمه من عزوم القوى.
الازدواج وعزم الازدواج · 10 / 10