☰ خطة العام · الرياضيات التطبيقية (بالعربية)

السلالم والقضبان المسندة إلى حائط

الأسبوع 10 · Equilibrium of coplanar forces: ladders on rough ground and a smooth wall, a ladder held by a rope, and a rod about to slip · 3 دروس
3

ساق على أرض خشنة وحائط أملس: أقل قوة أفقية إضافية تجعلها على وشك الانزلاق، ومعامل الاحتكاك عند الاتزان الحدّي

Applied Mathematics Sec 3 Term 1, Unit 2, Lesson 2, Part 3
Goalأوجد الاحتكاك وأقل معامل احتكاك لقضيب منتظم يرتكز على أرض خشنة وحائط أملس بزاوية ⁦θ⁩.
New words
ظل الزاوية · الارتفاع مقسومًا على البعد عن الحائطقوة أفقية إضافية · دفع أو شد عند القدم يغيّر الاحتكاك اللازم
Explanation

يرتكز قضيب منتظم طوله ⁦L⁩ ووزنه ⁦W⁩ على أرض خشنة وحائط أملس بزاوية ⁦θ⁩ مع الأرض. نضع الحائط على اليمين؛ إلى أعلى وإلى اليمين موجب والعزوم عكس عقارب الساعة موجبة. العزوم حول القدم: ⁦S × (L sin θ) = W × (L/٢‎) cos θ⁩ فـ⁦S = W/(٢‎ tan θ)⁩. ثم ⁦F = S⁩ و⁦N = W⁩. والقيمة الحدّية ⁦F = μN⁩ تعطي ⁦μ = ١‎/(٢‎ tan θ)⁩. لاحظ أن ⁦S⁩ لا تعتمد على الاحتكاك. القضيب الأكثر انحدارًا (⁦tan θ⁩ أكبر) يحتاج احتكاكًا أقل. مع قوة أفقية إضافية ⁦X⁩ عند القدم في اتجاه بعيد عن الحائط يصبح الاحتكاك اللازم ⁦S + X⁩ وأكبر ⁦X⁩ تساوي ⁦μN − S⁩.

θNFSWAB
Worked examples
θNFS90 NAB
قضيب وزنه ⁦٩٠‎ N⁩ يصنع زاوية ⁦θ⁩ مع الأرض حيث ⁦tan θ = ٣‎⁩ و⁦μ = ٠٫٤‎⁩. ⁦S = ٩٠‎/٦‎ = ١٥‎ N⁩ و⁦N = ٩٠‎ N⁩ و⁦F = ١٥‎ N⁩. أكبر احتكاك ممكن ⁦٠٫٤‎ × ٩٠‎ = ٣٦‎ N⁩ فأكبر قوة أفقية إضافية ⁦X⁩ بعيدًا عن الحائط هي ⁦٣٦‎ − ١٥‎ = ٢١‎ N⁩.
قضيب يرتكز و⁦tan θ = ٥‎/٢‎⁩. إذن ⁦μ ≥ ١‎/(٢‎ × ٥‎/٢‎) = ١‎/٥‎⁩.
Class activity

أسند قلم رصاص إلى كتاب بزوايا مختلفة على غطاء خشن. أي زاوية تجعله ينزلق؟ اربط ما تراه بالعلاقة ⁦μ = ١‎/(٢‎ tan θ)⁩.

Practice
1
قضيب وزنه ⁦٦٠‎ N⁩ و⁦tan θ = ٢‎⁩ و⁦μ = ٠٫٥‎⁩. ما أكبر قوة أفقية إضافية ⁦X⁩ بعيدًا عن الحائط يتحملها؟
2
القضيب نفسه، لكن ⁦X⁩ الآن نحو الحائط. ما أكبر ⁦X⁩ قبل أن ينزلق؟
3
أوجد أقل ⁦μ⁩ إذا كان ⁦tan θ = ٢٫٥‎⁩.
4
يرتكز قضيب بزاوية ⁦θ = ٦٠‎°⁩ مع الأرض. أوجد أقل ⁦μ⁩.
5
هل تعتمد ⁦S⁩ على ⁦μ⁩؟