الثانوية العامة 2026الاستعلام عن النتيجةاعرف الكليات المناسبة لمجموعكتنسيق 2026

تطبيقات الرياضيات (الميكانيكا) · الصف الثالث الثانوي

متطلبات الاستاتيكا: الاحتكاك واتزان جسم على مستوى

مراجعة ما تحتاجه قبل دراسة الاستاتيكا: السطوح الملساء والخشنة، قوة الاحتكاك السكوني والحركي، رد الفعل المحصل وزاوية الاحتكاك، واتزان جسم على مستوى أفقي أو مائل خشن.

آخر تحديث: · كيف نراجع المحتوى

أهداف التعلم

  • تميّز بين السطح الأملس والسطح الخشن، وتحدد رد الفعل في كل منهما.
  • تذكر خواص الاحتكاك السكوني، وتحسب الاحتكاك النهائي بمعامل الاحتكاك السكوني.
  • تحسب قوة الاحتكاك الحركي، وتفرّق بينها وبين الاحتكاك السكوني.
  • تعرّف رد الفعل المحصل وزاوية الاحتكاك، وتربط بينها وبين معامل الاحتكاك.
  • تحل مسائل اتزان جسم على مستوى أفقي خشن أو مائل خشن.

شرح الدرس

السطوح الملساء والسطوح الخشنة

حتى أنعم الأسطح تحمل نتوءات وتجاويف مجهرية تتداخل عند التلامس، وهذا ما يولّد قوة الاحتكاك. نقيس خشونة السطحين المتلامسين بمعامل الاحتكاك μ\mu؛ كلما زادت الخشونة زاد المعامل، وإذا انعدم μ\mu كان السطح أملس تمامًا.

  • السطح الأملس: رد فعله عمودي على سطح التماس المشترك فقط، ونرمز له بالرمز NN.
  • السطح الخشن: رد الفعل له مركبتان: مركبة عمودية على سطح التماس هي NN، ومركبة مماسية للسطح هي قوة الاحتكاك FrF_r.

خواص الاحتكاك السكوني

الاحتكاك السكوني هو احتكاك الجسم الساكن (الذي لم يبدأ الحركة بعد):

  1. يعمل في اتجاه مضاد للاتجاه الذي يميل الجسم إلى الانزلاق فيه.
  2. يساوي القوة المماسية التي تحاول تحريك الجسم ولا يزيد عليها ما دام الجسم متزنًا.
  3. يزداد بازدياد القوة المماسية حتى يبلغ قيمة عظمى، فيصبح الجسم على وشك الانزلاق، ويسمى الاحتكاك حينئذ الاحتكاك النهائي FmaxF_{max}.
  4. النسبة بين الاحتكاك النهائي ورد الفعل العمودي ثابتة لزوج السطحين، وتسمى معامل الاحتكاك السكوني:
μs=FmaxN⟺Fmax=μsN\mu_s = \frac{F_{max}}{N} \quad \Longleftrightarrow \quad F_{max} = \mu_s N

ولا يتوقف μs\mu_s على مساحة سطح التماس ولا على كتلة الجسم، بل على طبيعة السطحين فقط. ويكون الاحتكاك في حالة الاتزان Fr≤μsNF_r \le \mu_s N.

الاحتكاك الحركي

إذا تحرك الجسم على سطح خشن فإنه يخضع لقوة احتكاك حركي تعاكس اتجاه حركته، ومقدارها

Fk=μkNF_k = \mu_k N

حيث μk\mu_k معامل الاحتكاك الحركي، وهو في العادة أقل من μs\mu_s؛ لذلك يسهل إبقاء الصندوق متحركًا أكثر من بدء تحريكه.

رد الفعل المحصل وزاوية الاحتكاك

رد الفعل المحصل RR هو محصلة مركبتيه العمودية والمماسية:

R=N2+Fr2R = \sqrt{N^2 + F_r^2}

وتسمى الزاوية بين RR وبين العمود على السطح زاوية الاحتكاك λ\lambda، وتزداد بزيادة الاحتكاك حتى تبلغ قيمتها العظمى عند وشك الانزلاق. وعندئذ:

tan⁡λ=FmaxN=μs\tan\lambda = \frac{F_{max}}{N} = \mu_s

اتزان جسم على مستوى أفقي خشن

يتزن جسم وزنه WW على مستوى أفقي خشن تحت تأثير قوة FF تميل على الأفقي بزاوية θ\theta إلى أعلى، إذا تحققت شروط الاتزان:

Fcos⁡θ=Fr,N+Fsin⁡θ=WF\cos\theta = F_r, \qquad N + F\sin\theta = W

ويكون الجسم على وشك الحركة إذا كان Fr=μsNF_r = \mu_s N.

اتزان جسم على مستوى مائل خشن

على مستوى خشن يميل على الأفقي بزاوية θ\theta يؤثر في الجسم وزنه (WW رأسيًا إلى أسفل) ورد الفعل المحصل، وتتحقق شروط الاتزان بتحليل الوزن إلى مركبتين:

N=Wcos⁡θ,Fr=Wsin⁡θN = W\cos\theta, \qquad F_r = W\sin\theta

وإذا كان الجسم على وشك الانزلاق فإن Fr=μsNF_r = \mu_s N، أي tan⁡θ=μs\tan\theta = \mu_s، ومن ثَمَّ زاوية ميل المستوى تساوي زاوية الاحتكاك.

جسم على سطح أفقي خشن بقوى الوزن ورد الفعل والقوة الدافعة والاحتكاك، وجسم على مستوى مائل خشن مع مركبتي الوزن

تعريفات

  • قوة الاحتكاك: قوة مماسية لسطح التماس تعاكس ميل الجسم إلى الحركة أو حركته.
  • الاحتكاك النهائي: أكبر قيمة للاحتكاك السكوني، ويبدأ الجسم الانزلاق عند تجاوزها.
  • معامل الاحتكاك: النسبة بين الاحتكاك النهائي (أو الحركي) ورد الفعل العمودي.
  • زاوية الاحتكاك: الزاوية بين رد الفعل المحصل والعمود على السطح عند وشك الانزلاق.

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: صندوق وزنه 150150 نيوتن على أرض أفقية خشنة، ومعامل الاحتكاك السكوني 0.40.4. ما أقل قوة أفقية تجعله على وشك الحركة؟

الحل: على المستوى الأفقي N=W=150N = W = 150 نيوتن، فالاحتكاك النهائي Fmax=0.4×150=60F_{max} = 0.4 \times 150 = 60 نيوتن. القوة المطلوبة تساوي 6060 نيوتن.

مثال 2: جسم وزنه 2020 ث كجم على مستوى أفقي خشن، أثرت فيه قوتان أفقيتان مقداراهما 66 و88 ث كجم وبينهما زاوية قائمة، فأصبح على وشك الحركة. أوجد معامل الاحتكاك وزاوية الاحتكاك.

الحل: محصلة القوتين الأفقيتين 62+82=10\sqrt{6^2 + 8^2} = 10 ث كجم تساوي الاحتكاك النهائي، والمستوى أفقي فيكون N=20N = 20 ث كجم. إذن μs=1020=0.5\mu_s = \dfrac{10}{20} = 0.5، وتكون λ=tan⁡−10.5≈26.6∘\lambda = \tan^{-1} 0.5 \approx 26.6^\circ.

مثال 3: جسم على مستوى خشن يميل بزاوية 30∘30^\circ على الأفقي، وهو على وشك الانزلاق. أوجد معامل الاحتكاك السكوني.

الحل: عند وشك الانزلاق μs=tan⁡θ=tan⁡30∘=33≈0.58\mu_s = \tan\theta = \tan 30^\circ = \dfrac{\sqrt{3}}{3} \approx 0.58، وزاوية الاحتكاك 30∘30^\circ.

مثال 4: يُسحب جسم وزنه 100100 نيوتن بحبل يميل 30∘30^\circ فوق الأفقي بقوة 4040 نيوتن، ومعامل الاحتكاك السكوني 0.30.3. هل يتحرك الجسم؟

الحل: رد الفعل N=100−40sin⁡30∘=80N = 100 - 40\sin 30^\circ = 80 نيوتن، فالاحتكاك النهائي 0.3×80=240.3 \times 80 = 24 نيوتن. المركبة الأفقية للقوة 40cos⁡30∘≈34.640\cos 30^\circ \approx 34.6 نيوتن وهي أكبر من 2424 نيوتن؛ إذن يتحرك الجسم.

ملاحظات مهمة

  • يرمز كتاب الطالب إلى القوة بالرمز ق، والوزن و، ورد الفعل العمودي ر، والاحتكاك ح، ومعامل الاحتكاك م، وزاوية الاحتكاك ل. نستخدم هنا الرموز اللاتينية F,W,N,Fr,μ,λF, W, N, F_r, \mu, \lambda للقراءة المريحة في المعادلات، ولا فرق في المعنى.
  • الاحتكاك ليس دائمًا μN\mu N؛ هذه قيمته النهائية فقط. أما قبل الانزلاق فالاحتكاك يساوي القوة المماسية المؤثرة.
  • في المستوى المائل N=Wcos⁡θN = W\cos\theta فقط إذا لم تؤثر قوة أخرى عمودية على المستوى.
  • الوحدة المستخدمة في الكتاب للقوة هي النيوتن والثقل كيلوجرام (ث كجم)، حيث 11 ث كجم =9.8= 9.8 نيوتن.

المفاهيم الأساسية

  • السطح الأملس رد فعله عمودي فقط، والسطح الخشن رد فعله مركبتان: عمودية NN ومماسية FrF_r.
  • الاحتكاك السكوني يعاكس ميل الجسم للانزلاق ويساوي القوة المماسية حتى قيمته النهائية Fmax=μsNF_{max} = \mu_s N.
  • الاحتكاك الحركي Fk=μkNF_k = \mu_k N يعاكس اتجاه الحركة.
  • R=N2+Fr2R = \sqrt{N^2 + F_r^2} وعند وشك الانزلاق tan⁡λ=μs\tan\lambda = \mu_s.
  • على مستوى مائل خشن بزاوية θ\theta: N=Wcos⁡θN = W\cos\theta وFr=Wsin⁡θF_r = W\sin\theta، وعند وشك الانزلاق tan⁡θ=μs\tan\theta = \mu_s.

ملخص الدرس

يتحكم الاحتكاك في اتزان الأجسام على الأسطح الخشنة: فهو قوة مماسية تتغير بحسب القوة المؤثرة حتى تبلغ حدها النهائي μsN\mu_s N، وبعدها ينزلق الجسم ويصبح الاحتكاك حركيًّا μkN\mu_k N. ويمكن وصف الاحتكاك ورد الفعل العمودي معًا برد فعل محصل يميل على العمود بزاوية الاحتكاك. وفي المستوى المائل تُحلَّل مركبتا الوزن على المستوى وعموديًا عليه فتُحدد شروط الاتزان.

أسئلة للتدريب

  1. جسم وزنه 8080 نيوتن على مستوى أفقي خشن، ومعامل الاحتكاك السكوني 0.250.25. أوجد أكبر قوة أفقية لا تحركه.
  2. على مستوى خشن يميل بزاوية θ\theta يبقى جسم متزنًا إذا لم تزد θ\theta على 40∘40^\circ. ماذا تستنتج عن معامل الاحتكاك السكوني؟
  3. لماذا يكون رد فعل السطح الخشن مائلًا على العمود، بينما رد فعل السطح الأملس عمودي دائمًا؟
  4. جسم وزنه 5050 نيوتن على مستوى أفقي خشن يُسحب بقوة 2020 نيوتن تميل 60∘60^\circ فوق الأفقي. أوجد رد الفعل العمودي.
حلّ أسئلة هذا الدرساختبر فهمك بأسئلة اختيار من متعدد وأسئلة مقالية مع نموذج إجابة، أو خض اختبارًا تفاعليًا سريعًا
أبلغ عن خطأ في هذا الدرس