☰ خطة العام · الرياضيات التطبيقية (بالعربية)

عزم القوة: التأثير الدوراني والإحداثيات ومبدأ فارينيون

الأسبوع 2 · Moments: the turning effect of a force about a point, moment arm and sign, the moment from coordinates, and Varignon’s principle · 3 دروس
2

العزم بالإحداثيات: ⁦M = x·Fy − y·Fx⁩ لقوة ⁦(Fx, Fy)⁩ تؤثر في النقطة ⁦(x, y)⁩، وإيجاد الذراع من ⁦L = |M| / F⁩

Applied Mathematics Sec 3 Term 1, Unit 1, Lesson 1, Part 1
Goalأوجد عزم قوة من الإحداثيات بالقانون ⁦M = x Fy − y Fx⁩، وأفهم إشارته، وأستخرج الذراع من ⁦L = |M| / F⁩.
New words
موضع ⁦(x, y)⁩ · إحداثيات نقطة على خط عمل القوة مقيسة من مركز العزم ⁦O⁩المركبتان ⁦(Fx, Fy)⁩ · جزءا القوة على محور ⁦x⁩ ومحور ⁦y⁩ وتُكتب ⁦F = Fx i + Fy j⁩القياس الجبري للعزم · العدد ذو الإشارة ⁦M⁩: موجب عكس عقارب الساعة وسالب في اتجاهها، و⁦|M|⁩ مقداره
Explanation

رسم الذراع ليس سهلًا دائمًا فنستعمل الإحداثيات. ضع مركز العزم عند نقطة الأصل ⁦O⁩. تؤثر قوة ⁦F = (Fx, Fy)⁩ عند نقطة ⁦(x, y)⁩ من خط عملها. حلّلها إلى جزأيها. الجزء الرأسي ⁦Fy⁩ يؤثر على بعد أفقي ⁦x⁩ من ⁦O⁩ فذراعه ⁦x⁩ وعزمه ⁦x Fy⁩: قوة إلى أعلى على يمين ⁦O⁩ تدير عكس عقارب الساعة (موجب)، وقوة إلى أعلى على يسار ⁦O⁩ تدير في اتجاهها (سالب)، وإشارة ⁦x⁩ تفعل ذلك تمامًا. والجزء الأفقي ⁦Fx⁩ يؤثر على ارتفاع ⁦y⁩ فوق ⁦O⁩، والقوة نحو اليمين فوق ⁦O⁩ تدير في اتجاه عقارب الساعة، فعزمه ⁦−y Fx⁩. وبالجمع نحصل على ⁦M = x Fy − y Fx⁩. وهذا العدد موجب للدوران عكس عقارب الساعة وسالب للدوران في اتجاهها. ويمكنك التحقق من أن اختيار النقطة على خط العمل لا يهم: فإزاحة النقطة بمقدار ⁦t⁩ على امتداد القوة تغيّر ⁦M⁩ بمقدار ⁦t Fx Fy − t Fy Fx = ٠‎⁩. وإذا كان مركز العزم نقطة أخرى ⁦B⁩ فاستبدل ⁦(x, y)⁩ بموضع نقطة التأثير مقيسًا من ⁦B⁩ أي ⁦A − B⁩. وبعد معرفة ⁦M⁩ يكون الذراع ⁦L = |M| / F⁩ حيث ⁦F = √(Fx² + Fy²)⁩. (وسيكتب مقرر الرياضيات البحتة هذا العدد نفسه قريبًا بالصورة ⁦r × F⁩، ولا تحتاج إليها الآن.)

xy−1123456−11234560FOA
Worked examples
xy−1123456−11234560FOA
تؤثر القوة ⁦F = (−٤‎, ٣‎) N⁩ عند ⁦A(٣‎, ٢‎)⁩. العزم بالنسبة لـ⁦O⁩: ⁦M = x Fy − y Fx = ٣‎ × ٣‎ − ٢‎ × (−٤‎) = ٩‎ + ٨‎ = ١٧‎ N·m⁩ وهو موجب فالدوران عكس عقارب الساعة. والقوة ⁦√(١٦‎ + ٩‎) = ٥‎ N⁩ فالذراع ⁦L = ١٧‎ / ٥‎ = ٣٫٤‎ m⁩.
xy−2−112345−112340FBA
تؤثر القوة ⁦F = (٦‎, −٨‎) N⁩ عند ⁦A(٣‎, ٢‎)⁩؛ أوجد عزمها بالنسبة لـ⁦B(−١‎, ١‎)⁩. موضع ⁦A⁩ مقيسًا من ⁦B⁩ هو ⁦A − B = (٤‎, ١‎)⁩. ⁦M = ٤‎ × (−٨‎) − ١‎ × ٦‎ = −٣٢‎ − ٦‎ = −٣٨‎ N·m⁩ وهو سالب فالدوران في اتجاه عقارب الساعة. والقوة ⁦١٠‎ N⁩ فالذراع ⁦٣٨‎ / ١٠‎ = ٣٫٨‎ m⁩.
تؤثر قوة ⁦(−٣‎, k) N⁩ عند ⁦(٢‎, ٥‎)⁩ وعزمها بالنسبة لـ⁦O⁩ يساوي صفرًا. إذن ⁦٢‎ × k − ٥‎ × (−٣‎) = ٢‎k + ١٥‎ = ٠‎⁩ ومنه ⁦k = −٧٫٥‎⁩. تحقق: القوة ⁦(−٣‎, −٧٫٥‎)⁩ توازي الموضع ⁦(٢‎, ٥‎)⁩ فيمر خط عملها بالنقطة ⁦O⁩.
Class activity

على ورق مربعات علّم النقطة ⁦O⁩ ونقطة ⁦A⁩ إحداثياتها أعداد صحيحة. ارسم سهم قوة من ⁦A⁩ بمركبتين تختارهما، وقس بالمسطرة البعد العمودي من ⁦O⁩ على خطه. اضرب في طول السهم وقارن النتيجة بالعدد ⁦x Fy − y Fx⁩ المحسوب من الشبكة. يتفقان حتى حدود خطأ القياس.

Practice
1
تؤثر القوة ⁦F = (٢‎, ٥‎) N⁩ عند ⁦(٤‎, ١‎)⁩. أوجد عزمها بالنسبة لـ⁦O⁩ (عكس عقارب الساعة موجب).
2
تؤثر القوة ⁦F = (−٣‎, −٤‎) N⁩ عند ⁦(١‎, −٢‎)⁩. أوجد عزمها بالنسبة لـ⁦O⁩ (عكس عقارب الساعة موجب) والذراع.
3
تؤثر القوة ⁦F = (٥‎, ٠‎) N⁩ عند ⁦(٠‎, ٣‎)⁩. أوجد عزمها بالنسبة لـ⁦O⁩ (عكس عقارب الساعة موجب) وبيّن اتجاه الدوران.
4
تؤثر القوة ⁦F = (٠‎, −٦‎) N⁩ عند ⁦(−٢‎, ٠‎)⁩. أوجد عزمها بالنسبة لـ⁦O⁩ (عكس عقارب الساعة موجب).
5
كتب طالب عزم القوة ⁦F = (٢‎, ٦‎)⁩ المؤثرة عند ⁦(٣‎, ١‎)⁩ بالنسبة لـ⁦O⁩ هكذا ⁦٣‎ × ٢‎ − ١‎ × ٦‎⁩. ما الخطأ وما العزم الصحيح؟