بينما كان رائد فضاء يسبح في الفضاء، انقطع الحبل الذي يربطه مع السفينة الفضائية، فاستخدم الرائد مسدس الغاز ليرجع إلى الوراء حتى يصل السفينة. استخدم نظرية الدفع والزخم والرسم التخطيطي؛ لتوضح فاعلية هذه الطريقة.

عندما يطلق رائد الفضاء الغاز من المسدس في الاتجاه المعاكس للسفينة يولد المسدس دفعاً يعمل على تحريك الرائد في اتجاه السفينة.

حلول اتقان المفاهيم وتطبيق المفاهيم

خريطة المفاهيم:

30. أكمل خريطة المفاهيم أدناه باستخدام المصطلحات الآتية: الكتلة، الزخم، متوسط القوة، الفترة الزمنية التي أثرت خلالها القوة.

إتقان المفاهيم:

1-2

31. هل يمكن أن يتساوى زخم رصاصة مع زخم شاحنة؟ فسرّ ذلك.

نعم لكي يكون للرصاصة نفس زخم الشاحنة يجب أن تكون سرعتها أكبر بكثير من سرعة الشاحنة لأن كتلة الشاحنة أكبر بكثير من كتلة الرصاصة.

_{الشاحنة}^v _{الشاحنة}^m = _{الرصاصة}^v _{الرصاصة}^m

32. رمى لاعبٌ كرةً فتلقفها لاعب آخر. مفترضاً أن مقدار سرعة الكرة لم يتغير في أثناء تحليقها في الجو، أجب عن الأسئلة الآتية:

a. أي اللاعبين أثَّر في الكرة بدفع أكبر؟

يؤثر ضارب الكرة ومتلقيها بمقدار الدفع نفسه في الكرة ولكن في اتجاهين متعاكسين.

b. أي اللاعبين أثَّر في الكرة بقوة أكبر؟

يؤثر متلقي الكرة بقوة أكبر في الكرة لأن الفترة الزمنية التي تؤثر قيها القوة أصغر.

33. ينص القانون الثاني لنيوتن على أنه إذا لم تؤثر قوة محصلة في نظام ما فإنه لا يمكن أن يكون هناك تسارع، هل نستنتج أنه لا يمكن أن يحدث تغير في الزخم؟

إذا لم يكن هناك قوة محصلة على النظام فهذا يعني أنه لا يوجد دفع محصل على النظام ولا تغير محصل في الزخم لكن قد يكون لأجزاء منفردة من النظام تغير في الزخم حتى لو كان التغير المحصل في الزخم يساوي صفر.

34. لماذا تُزود السيارات بماصّ صدمات يمكنه الانضغاط في أثناء الاصطدام؟

تُزود السيارات بماصّ صدمات ينضغط في أثناء التصادم لزيادة زمن التصادم مما يقلل من القوة.

35. ما المقصود "بالنظام المعزول"؟

النظام المعزول هو النظام الذي لا تؤثر فيه أيّ قوة خارجية.

2-2

36. في الفضاء الخارجي، تلجأ المركبة الفضائية إلى تشغيل صواريخها لتزيد من سرعتها المتجهة، كيف يمكن للغازات الحارة الخارجة من محرك الصاروخ أن تغير سرعة المركبة المتجهة حيث لا يوجد شيء في الفضاء يمكن للغازات أن تدفعه؟

لأن الزخم محفوظ فإن التغيّر في زخم الغازات في اتجاه واحد يجب أن يوازن بتغير مساوٍ له في زخم المركبة الفضائية في الاتجاه المعاكس.

37. تتحرك كرة على طاولة البلياردو، فتصطدم بكرة ثانية ساكنة، فإذا كان للكرتين الكتلة نفسها، وسكنت الكرة الأولى بعد تصادمهما معاً. فماذا يمكننا أن نستنتج حول سرعة الكرة الثانية؟

يجب أن تتحرك الكرة الثانية بنفس سرعة الكرة الأولى قبل أن تصدمها.

38. أسقطت كرة سلة في اتجاه الأرض، وقبل أن تصطدم بالأرض كان اتجاه الزخم إلى أسفل، وبعد أن اصطدمت بالأرض أصبح اتجاه الزخم إلى أعلى.

a. لماذا لم يكن زخم الكرة محفوظاً، مع أن الارتداد عبارة عن تصادم؟

لا يكون زخم الكرة الساقطة محفوظاً لأن هناك قوى محصلة خارجية تؤثر فيها وهي قوى الجاذبية الأرضية.

b. أي نظام يكون فيه زخم الكرة محفوظاً؟

يكون الزخم الكلي محفوظاً إذا كان النظام مكون من الكرة والأرض.

39. تستطيع قوة خارجية فقط أن تغير زخم نظام ما، وضّح كيف تؤدي القوة الداخلية لكوابح السيارة إلى إيقافها.

عندما يضغط السائق مكابح السيارة فإنها تتوقف بتوقف الدواليب والسماح لقوة الاحتكاك الخارجية للطريق بالتأثير في الاتجاه المعاكس لحركة السيارة لذا تتوقف السيارة ولكن إذا لم يكن هناك قوى احتكاك عندما يكون الطريق جليدياً مثلاً فعندها لا يكون هناك قوى خارجية لتوقف السيارة.

تطبيق المفاهيم:

40. اشرح مفهوم الدفع باستخدام الأفكار الفيزيائية بدلاً من المعادلات الرياضية.

الدفع هو أن تؤثر القوى F في جسم ما خلال فترة زمنية T مسببة تغيراً في زخمه بمقدار F_t.

41. هل يمكن أن يكتسب جسم ما دفعاً من قوة صغيرة أكبر من الدفع الذي يكتسبه من قوة كبيرة؟ فسرّ ذلك.

نعم إذا أثرت قوة صغيرة لفترة زمنية طويلة فإنها تنتج دفع أكبر.

42. إذا كنت جالساً في ملعب بيسبول واندفعت الكرة نحوك خطأً، فأيها أكثر أماناً الإمساك الكرة بيديك: تحريك يديك نحو الكرة ثم تثبيتهما عند الإمساك بها أم تحريك يديك في اتجاه حركة الكرة نفسه؟ فسرّ ذلك.

يجب عليك تحريك يدك في نفس اتجاه حركة الكرة وذلك لتزيد الفترة الزمنية للتصادم ومن ثم تقلل القوة.

43. انطلقت رصاصة كتلتها 0.11 g من مسدس بسرعة 323 m/s، بينما انطلقت رصاصة أُخرى مماثلة من بندقية بسرعة 396 m/s. فسر الاختلاف في مقدار سرعتي الرصاصتين، مفترضاً أن الرصاصتين تعرضتا لمقدار القوة نفسه من الغازات المتمددة.

تستغرق الرصاصة الخارجة من البندقية زمن أطول لذلك تكتسب زخم أكبر.

44. إذا تعرض جسم ساكن إلى قوى دفع تم تمثيلها بالمنحنى الموضح في الشكل 10–2، فصف حركة الجسم بعد كل من الدفع A، وB، وC.

بعد زمن الدفع A يتحرك الجسم بسرعة موجبة وثابتة وبعد زمن الدفع B يصبح الجسم ساكن وبعد زمن الدفع C يتحرك الجسم بسرعة سالبة وثابتة.

45. بينما كان رائد فضاء يسبح في الفضاء، انقطع الحبل الذي يربطه مع السفينة الفضائية، فاستخدم الرائد مسدس الغاز ليرجع إلى الوراء حتى يصل السفينة. استخدم نظرية الدفع والزخم والرسم التخطيطي؛ لتوضح فاعلية هذه الطريقة.

عندما يطلق رائد الفضاء الغاز من المسدس في الاتجاه المعاكس للسفينة يولد المسدس دفعاً يعمل على تحريك الرائد في اتجاه السفينة.

46. كرة تنس. عندما ترتد كرة تنس عن حائط ينعكس زخمها، فسّر هذه العملية باستخدام قانون حفظ الزخم، محدِّداً النظام ومضمِّناً تفسيرك رسماً تخطيطياً.

نعتبر النظام مكون من الكرة والحائط والأرض فيكتسب الحائط والأرض بعض الزخم خلال التصادم.

47. تخيل أنك تقود سفينة فضائية تتحرك بين الكواكب بسرعة كبيرة، فكيف تستطيع إبطاء سرعة سفينتك من خلال تطبيق قانون حفظ الزخم؟

بإطلاق كمية من الغاز العادم بسرعة كبيرة في نفس اتجاه حركة السفينة لذا فإن زخم هذا الغاز سوف يقلل من زخم السفينة الفضائية ومن ثم يقلل من سرعتها.

48. اصطدمت شاحنتان تبدوان متماثلتين على طريق زلق (تجاهل الاحتكاك)، وكانت إحدى الشاحنتين ساكنة، فالتحمت الشاحنتان معاً وتحركتا بسرعة مقدارها أكبر من نصف مقدار السرعة الأصلية للشاحنة المتحركة، ما الذي يمكن أن تستنتجه عن حمولة كل من الشاحنتين؟

إذا تساوت كتلتي الشاحنتين فسوف تتحركان بنصف سرعة الشاحنة المتحركة بعد التصادم لذا لابد من أن تكون حمولة الشاحنة المتحركة أكبر.

49. لماذا ينصح بإسناد كعب البندقية على الكتف عند بداية تعلم الإطلاق؟ فسّر ذلك بدلالة الدفع والزخم.

عندما تحمل البندقية بشكل حر فإن زخم الارتداد للبندقية في الاتجاه المعاكس لحركة الرصاصة سوف يكسب البندقية سرعة أكبر مما يؤدي إلى اصطدامها بالكتف يجب أن يعمل زخم الارتداد على كتلتك وكتلة البندقية مسببان سرعة أقل أي في الاتجاه المعاكس لحركة الرصاصة.

50. طلقات الرصاص. أًطلقت رصاصتان متساويتان في الكتلة على قوالب خشبية موضوعة على أرضية ملساء، فإذا كانت سرعتا الرصاصتين متساويتين، وكانت إحدى الرصاصتين مصنوعة من المطاط والأخرى من الألمونيوم، وارتدت الرصاصة المطاطية عن القالب، في حين استقرت الرصاصة الأُخرى في الخشب، ففي أي الحالتين سيتحرك القالب الخشبي أسرع؟ فسّر ذلك.

يكون الزخم محفوظاً لذا فإن زخم القالب والرصاصة بعد التصادم يكون مساوي للزخم قبل التصادم للرصاصة المطاطية زخم سالب بعد التصادم بالقالب لذا يجب أن يكون زخم القالب الذي ارتدت عنه الرصاصة المطاطية أكبر أي أن سرعته أكبر.