يُعرَّف العزم رياضيًّا بأنّه يساوي حاصل الضرب المتّجهي لمتّجه القوّة في:
مُتّجه موقع نقطة تأثير القوّة
كتلة الجسم
زمن تأثير القوّة
سرعة الجسم الزاويّة
يُقاس العزم حسب النظام الدولي للوحدات بوحدة:
N
N.m
kg.m/s
rad/s
مقدار العزم المؤثّر في جسم يُحسب من العلاقة:
τ = F/r
τ = F + r
τ = F r sinθ
τ = F r cosθ
يُعرَّف ذراع القوّة بأنّه:
طول القضيب المؤثّرة فيه القوّة
الزاوية بين القوّة ومحور الدوران
المسافة من نقطة تأثير القوّة إلى مركز الجسم
البُعد العموديّ بين خطّ عمل القوّة ومحور الدوران
يكون طول ذراع القوّة أكبر ما يمكن عندما يكون اتّجاه القوّة:
عموديًّا على مستوى سطح الجسم
مماسًّا لمحور الدوران
مساويًا للصفر
موازيًا لمستوى سطح الجسم
يُعدّ العزم الناتج عن قوّة موجبًا عندما يُسبّب دوران الجسم:
باتّجاه حركة عقارب الساعة
بعكس اتّجاه حركة عقارب الساعة
باتّجاه القوّة نفسها
بعكس اتّجاه القوّة نفسها
عندما تكون الزاوية بين متّجهي القوّة ومتّجه الموقع تساوي صفرًا، فإنّ العزم الناتج عنها يكون:
مساويًا لمقدار القوّة فقط
أكبر ما يمكن
يساوي صفرًا
سالبًا دائمًا
أثّرت قوّة مقدارها 90 N في جسم على بُعد 4 m من محور الدوران، وكانت الزاوية بين متّجهي القوّة والموقع 40°، مسبّبةً دورانًا باتّجاه عقارب الساعة؛ فإنّ مقدار العزم بوحدة N.m (بالإشارة) يساوي تقريبًا:
231.4
231.4-
347.1-
180
يستخدم زيد مفتاح شدٍّ طوله 25.0 cm لشدّ صامولة، بقوّة مقدارها 1.60×102 N، وكانت الزاوية بين القوّة وذراع المفتاح تجعل sinθ=sin75°؛ فإنّ مقدار العزم المؤثّر في المفتاح بوحدة N.m يساوي تقريبًا:
38.6
40.0
12.0
150.0
عند حساب العزم المحصّل لعدّة قوًى تؤثّر في جسم؛ فإنّه يُحسب بـ:
جمع مقادير القوى فقط
حساب عزم كلّ قوّة على حدة، ثمّ جمع العزوم مع مراعاة إشاراتها
حساب متوسّط أذرع القوى
ضرب مجموع القوى في زمن التأثير
تؤثّر قوّتان FA=FB=50.0 N في بكرة مصمتة؛ FA على بُعد 30.0 cm وFB عند حافّتها على بُعد 50.0 cm، كلتاهما عموديًّا (θ=90°)، وتعمل FB على تدويرها عكس عقارب الساعة وFA باتجاه عقارب الساعة. فإنّ مقدار العزم المحصّل بوحدة N.m يساوي:
10.0-
20.0
10.0
يتحقّق الاتّزان السكونيّ لجسم عندما تتوافر فيه الشروط الآتية:
أن تكون سرعته الزاويّة أكبر ما يمكن
أن تكون القوّة المحصّلة صفرًا فقط
أن يكون العزم المحصّل صفرًا فقط
أن تكون القوّة المحصّلة والعزم المحصّل كلاهما صفرًا
مسطرة متريّة تؤثّر فيها قوّتان متساويتان مقدارًا ومتعاكستان اتّجاهًا لهما خطّ عمل واحد؛ فإنّ المسطرة تكون:
متّزنة لأنّ القوّة المحصّلة والعزم المحصّل كلاهما صفر
متّزنة رغم أنّ العزم المحصّل لا يساوي صفرًا
غير متّزنة رغم أنّ القوّة المحصّلة تساوي صفرًا
غير متّزنة لأنّ العزم المحصّل لا يساوي صفرًا
مسطرة متّزنة القوّة المحصّلة المؤثّرة فيها صفرًا، لكنّ القوّتين المؤثّرتين فيها لهما خطّا عمل مختلفان؛ فإنّ المسطرة في هذه الحالة تكون:
متّزنة لأنّ الشرط الأول للاتّزان تحقّق
غير متّزنة؛ لأنّ العزم المحصّل المؤثّر فيها لا يساوي صفرًا
متّزنة دائمًا بغضّ النظر عن العزم
لا يمكن الحكم عليها
يُعرَّف مركز الكتلة لجسم بأنّه:
منتصف المسافة بين طرفي الجسم دائمًا
أعلى نقطة في الجسم
النقطة التي يُمكن افتراض كتلة الجسم كاملة مُركّزة فيها
نقطة تأثير القوّة المحصّلة فقط
يقع مركز كتلة جسم منتظم الشكل ومتجانس (كقضيب أو كرة مصمتة) عند:
نقطة عشوائية داخله
خارج الجسم دائمًا
أحد طرفيه دائمًا
مركزه الهندسيّ
مركز كتلة حلقة دائرية رقيقة يقع:
عند مركزها الهندسي رغم عدم وجود مادة الحلقة فيه
خارج الحلقة دائمًا
عند إحدى نقاط محيطها
عند نقطة على الحلقة نفسها
مركز كتلة جسم غير منتظم الشكل يكون أقرب إلى:
المنطقة ذات الكتلة الأقلّ
المنطقة ذات الكتلة الأكبر
منتصف الجسم دائمًا
أبعد نقطة عن الجسم
نظام يتكوّن من جسمين متساويين في الكتلة؛ يقع مركز كتلة النظام عند:
موقع الجسم الأول
موقع الجسم الثاني
منتصف المسافة بين الجسمين
خارج الخطّ الواصل بينهما
العلاقة الرياضية الصحيحة لحساب موقع مركز كتلة نظام مكوّن من جسمين كتلتاهما mA وmB وموقعاهما xA وxB هي:
xCM = mAmB(xA + xB)
xCM = (mA + mB)/(xA + xB)
xCM = (xA + xB)/2 دائمًا
xCM = (mAxA + mBxB)/(mA + mB)
نظام يتكوّن من كرتين، كتلة الأولى 1.0 kg عند الموقع 5.0 cm، وكتلة الثانية 3.0 kg عند الموقع 15.0 cm؛ فإنّ موقع مركز كتلة النظام بوحدة cm يساوي:
12.5
7.5
15.0
إذا كان مركز كتلة نظام مكوّن من جسمين أقرب إلى الجسم الأول؛ فإنّ هذا يعني أنّ:
لا علاقة بين الموقع والكتلة
كتلة الجسم الأول أكبر من كتلة الثاني
كتلة الجسم الثاني أكبر من كتلة الأول
كتلتا الجسمين متساويتان
يكون الجسم أو النظام متّزنًا عند تعليقه من مركز كتلته؛ لأنّ مجموع العزوم لمكوّناته حول مركز الكتلة يكون:
مساويًا لوزن الجسم
متغيّرًا مع الزمن
عدم تماثل توزيع كتلة إطار السيارة (نتيجة تآكل بعض أجزائه) يؤدّي إلى:
تقليل الاحتكاك مع الطريق فقط
لا يوجد أيّ تأثير يُذكر
زيادة سرعة السيارة
اهتزاز الإطار خصوصًا عند السرعات العالية؛ لعدم انطباق مركز كتلته مع مركزه الهندسي
لتقليل اهتزاز إطار السيارة الناتج عن عدم تماثل توزيع كتلته، تُوضع قطع رصاص على الإطار بهدف:
جعل مركز كتلة الإطار منطبقًا مع مركزه الهندسي
تقليل نصف قطر الإطار
زيادة الاحتكاك مع الطريق
زيادة وزن الإطار فقط
لوح خشبي وزنه Fg يؤثر في منتصفه، يرتكز على نقطة تبعد 0.60 m يمين المنتصف، ويجلس طفلان بوزنين 600 N و420 N على بُعد 1.50 m و2.00 m على التوالي من نقطة الارتكاز. مقدار وزن اللوح Fg بوحدة N يساوي:
100
80
1120
بالاستمرار على معطيات السؤال السابق؛ فإنّ مقدار القوّة العمودية التي تؤثّر بها نقطة الارتكاز في اللوح بوحدة N تساوي:
1200
1020
900
لماذا يستخدم العامل مفتاح شدٍّ طويلًا لفكّ صامولة عالقة بدلًا من مفتاح قصير؟
لأنّ المفتاح الطويل أثقل فيزيد القوّة
لا فرق بين استخدام أيّ منهما
لأنّ المفتاح القصير يقلّل الاحتكاك
لأنّ المفتاح الطويل يزيد ذراع القوّة فيزداد العزم لقوّة اليد نفسها
عند انطلاق السيارة بشكل مفاجئ، قد ترتفع مقدّمتها إلى الأعلى؛ ويُفسَّر ذلك بأنّ:
لا علاقة للعزم بهذه الظاهرة
قوّة الدفع الأمامية تُحدث عزمًا حول مركز كتلة السيارة يرفع مقدّمتها
وزن السيارة يزداد فجأة
الاحتكاك مع الطريق ينعدم تمامًا
في تمثيل قوّة F تؤثّر في جسم قابل للدوران حول محور يمرّ بالنقطة O، فإنّ ذراع القوّة يمثّله الخطّ العمودي الواصل بين:
بداية القوّة ونهايتها
محور الدوران ونقطة تأثير القوّة مباشرة
محور الدوران وخطّ عمل القوّة
نقطة تأثير القوّة ومركز الكتلة
جسم قابل للدوران حول محور يمرّ بالنقطة O، تؤثّر فيه قوّة F عند نقطة تبعد d عن المحور، بحيث تصنع القوّة زاوية 150° مع متّجه الموقع، وتُدوّر الجسم بعكس عقارب الساعة؛ فإنّ عزم هذه القوّة الأصحّ تمثيلًا هو:
dF sin150°
dF cos150°
dF فقط بلا اعتبار للزاوية
+dF sin150°
باب طوله 2.5 m ومحور دورانه يمرّ عند إحدى نهايتيه، أثّرت فيه قوّة مقدارها 35 N بزاوية تجعل sinθ=sin60°، وتُدوّر الباب بعكس عقارب الساعة؛ فإنّ العزم الناتج بوحدة N.m يساوي:
35 sin60° موجبًا (عكس عقارب الساعة)
35 sin60° سالبًا (مع عقارب الساعة)
17.5 sin60°
70 sin60°
تجلس فتاة كتلتها 40 kg وأخوها كتلته 50 kg على لعبة أرجوحة (see-saw)، وتُمسك الأمّ بطرف اللوح لتثبيته متّزنًا؛ فإنّ القوّة التي تؤثّر بها الأمّ لا بدّ أن تكون باتّجاه:
إلى الأعلى
إلى الأسفل
أفقيًّا فقط
لا حاجة لأيّة قوّة إذا تساوت الكتلتان
قضيب فلزّي خفيف طوله l، تتّصل بطرفيه كرتان كتلتاهما m1 وm2، يتّزن النظام عند تعليقه من مركز كتلته الذي يبعد عن الكرة الأولى مسافة (3/4)l؛ فإنّ العلاقة الصحيحة بين الكتلتين هي:
m1 = m2
m1 = (3/4) m2
m1 = (1/3) m2
m1 = 3 m2
عند تطبيق الشرط الثاني للاتّزان (Στ=0) حول محور يمرّ بنقطة تأثير إحدى القوى المجهولة المقدار؛ فإنّ الهدف من ذلك هو:
زيادة عدد المجاهيل في المعادلة
إلغاء تأثير جميع القوى الأخرى
لا فائدة من هذا الاختيار
جعل عزم تلك القوّة يساوي صفرًا فتُحذف من المعادلة
مسطرة متريّة منتظمة توزيع الكتلة موضوعة على سطح طاولة؛ تؤثّر فيها قوّتان أفقيّتان متساويتان مقدارًا ومتعاكستان اتّجاهًا لهما الموقع نفسه (خطّ العمل نفسه)؛ فإنّ حالة المسطرة الحركية هي:
اتّزان سكونيّ؛ لأنّ القوّة المحصّلة والعزم المحصّل كلاهما يساويان صفرًا
غير متّزنة؛ وتبدأ الدوران بعكس عقارب الساعة
غير متّزنة؛ وتبدأ الدوران باتّجاه عقارب الساعة
اتّزان حركيّ فقط وليس سكونيًّا
إذا أثّرت قوًى عدّة في جسم بحيث تمرّ خطوط عملها جميعها في مركز كتلته، وكانت القوّة المحصّلة تساوي صفرًا؛ فإنّ الجسم في هذه الحالة يكون:
لا يمكن الحكم دون معرفة اتّجاه القوى
متّزنًا؛ لأنّ عزم كلّ قوّة حول مركز الكتلة يساوي صفرًا فيتحقّق الشرطان معًا
غير متّزن؛ لأنّ العزم المحصّل غير صفريّ بالضرورة
متّزنًا سكونيًّا فقط إذا كان ساكنًا أصلًا لا غير
الفرق بين الاتّزان السكونيّ والاتّزان الحركي هو أنّ الجسم في الاتّزان الحركي:
تكون القوّة المحصّلة فيه أكبر من صفر
ساكن تمامًا والقوّة المحصّلة فيه صفر
يتحرّك بسرعة ثابتة بخطّ مستقيم والقوّة المحصّلة فيه صفر أيضًا
يتحرّك بتسارع ثابت
لماذا يُفضَّل دفع الباب بقوّة عمودية على مستوى سطحه بدلًا من دفعه بقوّة مائلة بزاوية؟
لأنّ القوّة المائلة تكسر الباب
لا فرق بين الحالتين في مقدار العزم
لأنّ القوّة العمودية أقلّ مقدارًا
لأنّ القوّة العمودية تُعطي أكبر ذراع قوّة وبالتالي أكبر عزم
عند فكّ صامولة عالقة بشدّة، تنصح ذكرى أخاها باستخدام مفتاح شدٍّ أطول، أو الوقوف على طرف المفتاح لزيادة القوّة العمودية المؤثّرة فيه؛ والهدف من كلتا الطريقتين هو:
زيادة العزم المؤثّر في الصامولة
تقليل زمن الشدّ فقط
تقليل ذراع القوّة
زيادة وزن المفتاح فقط
قوّتان متساويتان في المقدار (10 N لكلّ منهما) تؤثّران في ذراعين متساويين في الطول (1 m)، إحداهما تُدوّر الجسم بعكس عقارب الساعة والأخرى معها بحيث تتعادل الزاويتان تمامًا؛ فإنّ العزم المحصّل بوحدة N.m يساوي:
20
صفرًا
10
جسم يتّزن سكونيًّا تحت تأثير ثلاث قوًى غير متوازية؛ فإنّ خطوط عمل هذه القوى الثلاث لا بدّ أن:
لا شرط معيّن على خطوط عملها
تكون متوازية جميعها
تتقاطع في نقطة واحدة بحيث يتحقّق شرطا الاتّزان معًا
تكون متعامدة على بعضها البعض
عزم قوّة تؤثّر في قضيب حول محور دوران يمرّ بأحد طرفيه يكون أكبر من عزمها لو أثّرت القوّة نفسها حول محور يمرّ بمنتصف القضيب، بشرط أن يكون:
ذراع القوّة حول محور الطرف أكبر من ذراعها حول محور المنتصف
ذراع القوّة نفسه في الحالتين
القوّة أصغر في الحالة الثانية
لا يمكن أن يحدث ذلك أبدًا
صفيحة معدنية غير منتظمة الشكل عُلِّقت من نقطتين مختلفتين على التوالي، ورُسم خطّ الشاقول الرأسي من كلّ نقطة؛ فإنّ مركز كتلة الصفيحة يقع عند:
أيّ نقطة على أحد الخطّين
نقطة تقاطع الخطّين
منتصف المسافة بين نقطتي التعليق
خارج الصفيحة دائمًا
عند تعليق جسم من نقطة تقع خارج الخطّ الرأسي المارّ بمركز كتلته، فإنّ الجسم:
يتحرّك أفقيًّا فقط
يبقى في وضعه ساكنًا مهما كان
يدور حول نقطة التعليق حتى يصبح مركز كتلته أسفل نقطة التعليق مباشرة
ينكسر عند نقطة التعليق
إذا كانت الزاوية بين متّجه القوّة ومتّجه الموقع تساوي 90°؛ فإنّ مقدار العزم الناتج يكون:
أكبر من Fr
لا يمكن حسابه
مساويًا لحاصل ضرب القوّة في المسافة مباشرة (Fr)
عزم الازدواج (نظام مكوّن من قوّتين متساويتين في المقدار ومتعاكستين في الاتّجاه، ولهما خطّا عمل مختلفان) يكون فيه:
القوّة المحصّلة تساوي صفرًا، لكنّ العزم المحصّل لا يساوي صفرًا
كلاهما لا يساوي صفرًا
كلاهما يعتمد على الكتلة فقط
العزم المحصّل يساوي صفرًا رغم أنّ القوّة المحصّلة صفر أيضًا
عند اختيار محور دوران لتطبيق شرط الاتّزان الثاني على جسم متّزن؛ فإنّ اختيار موقع هذا المحور:
يجب أن يمرّ بمركز الكتلة حصرًا لا غير
يمكن اختياره عند أيّ نقطة مناسبة لتبسيط الحلّ، والنتيجة تبقى صحيحة
يُغيّر من كون الجسم متّزنًا أو غير متّزن
يجب أن يمرّ بنقطة تأثير أكبر قوّة فقط