القوة كل ما يسبب التغير في حركة أو شكل جسم. فمثلاً عندما تدفع سيارة واقفة فإنك تبذل قوة لكي تجعلها تتحرك للأمام. وعندما تضغط على قطعة من الصلصال فإن شكلها يتغير نتيجة إعمال القوة عليها.
تؤثر قوى كثيرة على السرعة الاتجاهية للجسم المتحرك. فمثلاً عندما تُدحرج كرة على سطح خشن يعمل الاحتكاك بين الكرة والسطح على تقليل سرعة الكرة. ويسمى أي تغير في السرعة الاتجاهية بالتسارع. وأي إقلال للسرعة يسمى التسارع السلبي أو التباطؤ.
وللقوة أنواع كثيرة، منها القوة الميكانيكية التي تعمل عندما تكون الأجسام في حالة تلامس. فدفع الكرة وتحريك بدال الدراجة ينتجان عن إعمال قوة ميكانيكية، في حين أن الكهرباء والجاذبية والمغنطيسية قوى تعمل دون تلامس بين الأجسام، وتنشأ من مجال القوة. فالمجالات الكهربائية التي تنشأ حول الجسيمات المشحونة على سبيل المثال، تسبب إما تجاذبها أو تنافرها. وتتناول هذه المقالة أساسًا القوة الميكانيكية.
قياس القوة
لكي تقاس القوة يتحتم معرفة كتلة الجسم وتسارعه. وكتلة الجسم هي كمية المادة التي يحويها. وتقاس الكتلة بالكيلوجرام أو الرطل. انظر: الكتلة. ويصف التسارع مقدار تغير السرعة الاتجاهية للجسم ووحداته هي وحدات المسافة مقسومة على مربع وحدات الزمن. فمثلاً يمكن أن تتغير السرعة الاتجاهية للجسم بمعدل متر واحد في الثانية لكل ثانية، ويكون التسارع مترًا لكل ثانية مربعة. ويمكن أيضًا التعبير عن هذه الكمية بأنها التسارع المساوي لمتر واحد في الثانية في ثانية.
يمكن استخدام النظام المتري أو وحدات النظام الإنجليزي في قياس القوة. ففي النظام المتري يعبر عن القوة بدلالة النيوتن. والنيوتن الواحد هو القوة المطلوبة لإحداث تسارع قدره متر واحد في الثانية المربعة لجسم كتلته كيلوجرام واحد. والوحدة الأساسية للقوة في النظام الإنجليزي هي البوندال. والبوندال الواحد هو القوة المطلوبة لإحداث تسارع مقداره قدم واحدة في الثانية المربعة لجسم كتلته رطل إنجليزي واحد.
وكان العالم الفيزيائي الإنجليزي السير إسحق نيوتن هو أول من وصف العلاقة بين القوة والكتلة والتسارع، وذلك في القرن السابع عشر الميلادي. فقد نص على أن القوة الكبيرة تحدث تسارعًا أكبر مما تحدثه القوة الصغيرة، وأن تسارع الأجسام الثقيلة أقل من تسارع الأجسام الخفيفة. وقد عبر نيوتن عن العلاقة بين التسارع والقوة والكتلة بالمعادلة: ق = ك × ت. وفي هذه المعادلة ترمز (ق) للقوة المؤثرة على الجسم، (ك) لكتلته و (ت) للتسارع الذي يحدث للجسم. وتعرف هذه العلاقة بالقانون الثاني للحركة. انظر: الحركة.
كيف تتفاعل القوى
في أحوال كثيرة تؤثر أكثر من قوة واحدة على الجسم في الوقت نفسه. وينتج عن هذه القوى المتلاقية قوة تسمى المحصلة.
والقوة المتلاقية التي تُحدث حركة عند تفاعلها تسمى القوة غير المتوازنة. فمثلاً عندما يدفع شخصان سيارة واقفة إلى الأمام فإن مجموع القوة المبذولة تتغلب على الاحتكاك بين الطريق وإطارات السيارة، فتبدأ السيارة في التحرك إلى الأمام.
والقوة التي لا تُحدث حركة عندما تتفاعل تسمى القوة المتوازنة. فمثلاً عندما تجلس على كرسي تجذب قوة الجاذبية جسمك نحو الأرض، وفي الوقت نفسه يدفعك الكرسي إلى أعلى، بعيدًا عن الأرض. فالقوة الناشئة من الكرسي تلغي قوة الجذب وتظل في مكانك ساكنًا. ويقال عن الجسم الذي تؤثر عليه القوة المتوازنة إنه في حالة اتزان.
حساب القوة المحصلة
طريقة متوازي أضلاع القوة طريقة لتعيين محصلة قوتين تؤثران على جسم في الشكل إلى اليمين يؤثر ثلاثة أطفال بقوتين على عربة بشدها بحبلين. وفي الشكل إلى اليسار تظهر الأسهم المسماة المتجهات اتجاه وقيمة القوى. وتستخدم هذه المتجهات لرسم متوازي أضلاع القوة الذي يمثل قطره محصلة القوتين المؤثرتين على العربة.
لحساب القوة المحصلة يحتاج المرء إلى معرفة اتجاه ومقدار القوى المتلاقية. فإذا كانت هذه القوى تعمل في اتجاه واحد فإن القوة المحصلة سوف تعمل أيضًا في الاتجاه نفسه. وفي هذه الحالة يساوي مقدار القوة المحصلة مجموع مقادير القوى المتلاقية. وإن كانت هناك قوتان غير متساويتين في المقدار، وتعملان في اتجاهين متضادين، فإن القوة المحصلة تعمل في اتجاه القوة الأكبر. ويكون مقدار القوة المحصلة مساويًا للفرق بين مقداري القوتين.
ويعمل كثير من القوى المتلاقية على زاوية تقع بينها. وتستخدم كميات تسمى المتجهات (الكميات المتجهة) لحساب محصلة القوة. وفي هذه الحالة يعبر المتجه عن مقدار واتجاه القوة بسهم يشير إلى اتجاه القوة. ويعطي طول هذا السهم مقدار القوة، ويمكن اختيار أي مقياس عند رسم المتجهات. وينتهي السهم بنقطة تسمى الرأس، وتسمى النهاية المقابلة الذيل.
وهناك طرق ثلاث رئيسية لاستخدام المتجهات في تعيين القوة المحصلة: 1- طريقة متوازي الأضلاع 2-طريقة المضلع 3- الطريقة التحليلية.
طريقة متوازي الأضلاع. تستخدم في حساب محصلة قوتين فقط في كل مرة. في هذه الطريقة يُستخدم المتجهان اللذان يمثلان القوتين المتلاقيتين لرسم متوازي أضلاع. افترض مثلاً أن بين القوتين زاوية. باختيار مقياس رسم مناسب نرسم هاتين القوتين كمتجهين يلتقي ذيلاهما في نقطة واحدة. هذه النقطة تمثل الجسم الذي تعمل عليه القوتان. بعد ذلك ارسم متوازي الأضلاع بحيث يشكل المتجهان ضلعين فيه. ثم ارسم قطر المتوازي من نقطة تلاقي المتجهين إلى ركن متوازي الأضلاع المقابل، واجعل من القطر متجهًا يؤشر سهمه بعيدًا عن الجسم. يكون هذا المتجه ممثلاً للمحصلة. لتعيين مقدار المحصلة، يمكن قياس طول القطر والضرب في مقياس الرسم السابق.
طريقة مضلع القوة تمكن الفيزيائيين من تحليل تفاعل ثلاث قوى أو أكثر، وذلك برسم المتجهات التي تمثل هذه القوى لتكوين مضلع، ويكون المتجه المرسوم لإكمال المضلع ممثلاً للمحصلة.
الطريقة التحليلية تستخدم لحساب محصلة مجموعة من قوى متفاعلة، وهي قائمة على أساس أن كل متجه يمكن أن يمثّل بمحصلة متجهين صغيرين متعامدين. ففي الشكل أعلاه أمكن تمثيل المتجه 2 تمثيلها بالقوتين 2أ و2ب.
طريقة المضلع. تستخدم لتعيين المحصلة عندما تعمل أكثر من قوتين على الجسم. في هذه الطريقة تستخدم متجهات تمثل القوى المتلاقية لعمل مضلع، وترسم هذه المتجهات بالتتابع كل بعد الآخر، بحيث يكون رأس كل متجه متصلاً بذيل المتجه الذي يليه، وهكذا. ثم يرسم متجه جديد يصل رأس المتجه الأخير مع ذيل المتجه الأول. ويكون المتجه الجديد في هذه الحالة ـ والذي يكمل المضلع ـ هو الذي يمثل المحصلة. ويجب أن يكون اتجاهه بحيث يشير من ذيل المتجه الأول إلى رأس المتجه الأخير.
الطريقة التحليلية. تستخدم أيضًا لإيجاد المحصلة عندما تؤثر أكثر من قوتين على الجسم. هذه الطريقة تقوم على حقيقة أن كل متجه يمكن أن يُمثل بمحصلة متجهين صغيرين متعامدين. فعلى سبيل المثال يمكن تمثيل متجه مقداره 5 نيوتن بمتجهين متعامدين مقدارهما 4 نيوتن و 3 نيوتن. في هذا المثال يكون المتجه الذي مقداره 5 نيوتن وترًا للمثلث قائم الزاوية الذي يشكل المتجهان 4 نيوتن و3 نيوتن ضلعيه الآخرين. لذلك فإن مربع المتجه 5 نيوتن، وهو 25 يساوي مجموع مربعي المتجهين الآخرين (9 + 16). لمزيد من الإيضاح انظر: فيثاغورث، نظرية.
وفي الطريقة التحليلية تمثل كل قوة متلاقية أولاً كمتجه، ويُحلّل كل من المتجهات فيما عدا واحد فقط إلى متجهين صغيرين متعامدين. ويرسم متجه من كل زوجين متعامدين موازيًا للمتجه الذي لم يُحلّل. بعد ذلك تضاف المتجهات التي تشير إلى اتجاهات متوحدة أو متعاكسة. هذه الإضافة ستؤدي في النهاية إلى زوجين من المتجهات متعامدين. ويمكن حساب محصلة هذين الزوجين حينئذ بطريقة متوازي الأضلاع. وهذه المحصلة هي محصلة القوى الأصلية المتلاقية.
القوى الأساسية
يعتبر الفيزيائيون أن جميع القوى في الكون أشكال لأربع قوى. هذه القوى الأربع مرتبة من الأضعف إلى الأقوى هي: 1- الجاذبية 2- القوة النووية الضعيفة. 3- القوة الكهرومغنطيسية 4- القوة النووية القوية. وتسمى القوة النووية الضعيفة التفاعل الضعيف والقوة النووية القوية التفاعل القوي.
وتؤثر قوة الجاذبية على مسافات طويلة في الفضاء. وهي أكثر تأثيرًا على الكتل الكبيرة. على سبيل المثال تثبت جاذبية الشمس الأرض في مدارها. وتعمل القوة الكهرومغنطيسية على مسافة أقل بكثير من مدى قوة الجاذبية. وهي تحفظ الجزيئات متماسكة. وتؤثر القوى النووية الضعيفة والقوية داخل نويات الذرات.
[flash][/flash][flash(2,2)] الطريقة التحليلية تستخدم لحساب محصلة مجموعة من قوى متفاعلة، وهي قائمة على أساس أن كل متجه يمكن أن يمثّل بمحصلة متجهين صغيرين متعامدين. ففي الشكل أعلاه أمكن تمثيل المتجه 2 تمثيلها بالقوتين 2أ و2ب. [/flash]
