الزاوية التي يمسحها متّجه موقع جسم يتحرّك حركة دورانية بالنسبة لنقطة مرجعية تُسمّى:
الموقع الزاوي
السرعة الزاوية
التسارع الزاوي
الإزاحة الزاوية
تُقاس الزاوية في الحركة الدورانية عادة بوحدة:
المتر
الراديان
الثانية
النيوتن
يُعرَّف التسارع الزاوي المتوسط بأنّه:
θ/t
Δθ/Δt
Δω/Δt
ω × t
تُعرَّف السرعة الزاوية المتوسطة بأنّها:
θ × t
α/t
عند دوران جسم بتسارع زاوي ثابت، فإنّ العلاقة بين السرعة الزاوية النهائية والابتدائية والتسارع الزاوي والزمن تشبه:
معادلات الحركة الخطية بتسارع ثابت
قانون حفظ الطاقة فقط
قانون كولوم
قانون الجذب العام
يُعرَّف عزم القصور الذاتي لجسيم نقطي كتلته m يبعد مسافة r عن محور الدوران بالعلاقة:
I = mr
I = mr²
I = m/r²
I = m²r
عزم القصور الذاتي لقرص مصمت منتظم كتلته M ونصف قطره R حول محور يمرّ بمركزه يُعطى بالعلاقة:
I = ⅔MR²
I = MR²
I = ½MR²
I = ⅖MR²
عزم القصور الذاتي لكرة مصمتة منتظمة كتلتها M ونصف قطرها R حول محور يمرّ بمركزها يُعطى بالعلاقة:
عزم القصور الذاتي لكرة مجوّفة رقيقة كتلتها M ونصف قطرها R حول محور يمرّ بمركزها يُعطى بالعلاقة:
عزم القصور الذاتي لقضيب رفيع منتظم كتلته M وطوله L حول محور عمودي يمرّ بمنتصفه يُعطى بالعلاقة:
I = 1/3 ML²
I = 1/12 ML²
I = 1/2 ML²
I = ML²
عزم القصور الذاتي لقضيب رفيع منتظم كتلته M وطوله L حول محور عمودي يمرّ بأحد طرفيه يُعطى بالعلاقة:
عزم القصور الذاتي لحلقة رقيقة كتلتها M ونصف قطرها R حول محور يمرّ بمركزها يُعطى بالعلاقة:
I = 2MR²
يُعبَّر عن قانون نيوتن الثاني للحركة الدورانية بالعلاقة:
Στ = Iα
ΣF = Iα
Στ = mα
Στ = ma
عزم القصور الذاتي لجسم صفة تعبّر عن:
سرعته الزاوية
مقاومة الجسم للتغيّر في حالته الدورانية
كتلته الكلية بغضّ النظر عن توزيعها
طاقته الحركية الانتقالية
يعتمد عزم القصور الذاتي لجسم حول محور معيّن على:
زمن الدوران فقط
كتلة الجسم فقط
كيفية توزّع كتلة الجسم حول محور الدوران
سرعته الزاوية فقط
عند توزيع كتلة جسم بحيث تصبح أبعد عن محور الدوران، فإنّ عزم قصوره الذاتي:
يبقى ثابتًا
يصبح صفرًا
يقلّ
يزداد
قرص وحلقة متماثلان في الكتلة ونصف القطر، فإنّ عزم القصور الذاتي للحلقة (حول مركزها) مقارنة بالقرص يكون:
أكبر منه
مساويًا له تمامًا
لا يمكن المقارنة
أصغر منه
قرص كتلته 40 kg ونصف قطره 0.20 m، فإنّ عزم قصوره الذاتي حول محور يمرّ بمركزه بوحدة kg.m² يساوي:
1.6
0.8
3.2
0.4
قرص صلب متجانس عزم قصوره الذاتي 40 kg.m² ونصف قطره 0.8 m، فإنّ كتلته بوحدة kg تساوي:
50
62.5
125
31.25
أثّرت قوّة مماسّية في قرص عزم قصوره الذاتي 40 kg.m² فأكسبته تسارعًا زاويًّا مقداره 7 rad/s²؛ فإنّ مقدار العزم المؤثّر فيه بوحدة N.m يساوي:
47
5.71
5.7
280
إذا كانت القوّة المماسّية المؤثّرة في قرص نصف قطره 0.8 m والعزم المؤثّر فيه 280 N.m؛ فإنّ مقدار هذه القوّة بوحدة N يساوي:
350
35
22.4
224
عند مقارنة سهولة تدوير أسطوانة مصمتة وأخرى مجوّفة (متماثلتان في الكتلة ونصف القطر)؛ فإنّ الأسهل تدويرًا هي:
المجوّفة؛ لأنّ عزم قصورها الذاتي أكبر
المصمتة؛ لأنّ عزم قصورها الذاتي أصغر
كلتاهما بالسهولة نفسها
لا يمكن تحديد ذلك
العلاقة بين عزم القصور الذاتي لجسم وصعوبة تدويره هي علاقة:
تختلف من جسم لآخر
عكسية
طردية
لا توجد علاقة
العلاقة بين عزم القصور الذاتي لجسم وصعوبة إيقافه عن الدوران هي علاقة:
تعتمد على السرعة الزاوية فقط
يقابل عزم القصور الذاتي (I) في الحركة الدورانية ما يقابله في الحركة الانتقالية وهو:
الكتلة (m)
التسارع
القوّة
السرعة
يقابل العزم (τ) في الحركة الدورانية ما يقابله في الحركة الانتقالية وهو:
الكتلة
القوّة المحصّلة (F)
الزخَم
يقابل التسارع الزاوي (α) في الحركة الدورانية ما يقابله في الحركة الانتقالية وهو:
الإزاحة
السرعة الخطية
التسارع الخطي (a)
إذا دار جسم حول محور ثابت بتسارع زاوي ثابت، فإنّ كلًّا من السرعة الزاوية والتسارع الزاوي لجميع أجزاء الجسم تكون:
معدومة لبعض الأجزاء
تعتمد على بُعد الجزء عن المحور
مختلفة من جزء لآخر
متساوية لجميع أجزاء الجسم
عندما يدور جسم حول محور ثابت، فإنّ السرعة الخطية لأجزائه المختلفة تكون:
مختلفة وتعتمد على بُعد كلّ جزء عن محور الدوران
معدومة لجميع الأجزاء
أكبر عند محور الدوران
متساوية لجميع الأجزاء
يبيّن شكل متّجهي السرعة الزاوية ω والتسارع الزاوي α لقرص يدور حول محوره، وكلاهما باتّجاهين متعاكسين؛ فإنّ الجسم:
يدور بسرعة زاوية ثابتة
يتسارع (تزداد سرعته)
لا يدور إطلاقًا
يتباطأ (تتناقص سرعته)
عندما تكون إشارتا السرعة الزاوية والتسارع الزاوي لجسم متماثلتين (كلاهما موجب أو كلاهما سالب)، فإنّ سرعته الزاوية:
تبقى ثابتة
تصبح صفرًا فورًا
تزداد
تقلّ
عندما تكون إشارتا السرعة الزاوية والتسارع الزاوي لجسم مختلفتين، فإنّ سرعته الزاوية:
تتضاعف
باستخدام قاعدة قبضة اليد اليمنى لتحديد اتّجاه السرعة الزاوية لجسم يدور بعكس عقارب الساعة في مستوى xy، فإنّ اتّجاهها يكون:
+z
z
+x
y
جسم يدور مع عقارب الساعة عند النظر إليه من الاتّجاه +z؛ فإنّ اتّجاه متّجه سرعته الزاوية يكون:
+y
x
طبق دوّار (turntable) بدأ الدوران من السكون وبلغت سرعته الزاوية 33 rev/min خلال 2.0 s؛ فإنّ مقدار تسارعه الزاوي بوحدة rad/s² يساوي تقريبًا:
0.35
0.86
1.73
3.46
عجلة دراجة هوائية تدور بسرعة زاوية ابتدائية 21.7 rad/s، وتباطأت بتسارع زاوي ثابت مقداره 2.67 rad/s² حتى توقّفت؛ فإنّ الزمن اللازم لتوقّفها بوحدة s يساوي تقريبًا:
58
0.12
5.8
8.1
عزم القصور الذاتي لنظام مكوّن من عدّة جسيمات نقطية يساوي:
مجموع حاصل ضرب كتلة كلّ جسيم في مربّع بعده عن محور الدوران
متوسط أبعادها عن المحور
أكبر كتلة في النظام فقط
مجموع كتلها فقط
نظام مكوّن من كرتين صغيرتين كتلة كلّ منهما m تفصل بينهما قضيب مهمل الكتلة طوله 2r، وتقعان على طرفي القضيب؛ فإنّ عزم القصور الذاتي للنظام حول محور يمرّ بمنتصف القضيب عموديًّا عليه يساوي:
mr²
2mr²
4mr²
½mr²
إذا تضاعف نصف قطر دوران جسيم نقطي حول محور معيّن مع بقاء كتلته ثابتة، فإنّ عزم قصوره الذاتي:
يقلّ إلى النصف
يتضاعف
يصبح أربعة أمثاله
يبقى كما هو
إذا تضاعفت كتلة جسيم نقطي مع بقاء بُعده عن محور الدوران ثابتًا، فإنّ عزم قصوره الذاتي:
أسطوانة مصمتة متجانسة عزم قصورها الذاتي حول محورها المركزي 1/2MR²؛ فإذا كان محور الدوران يمرّ بدلًا من ذلك عبر سطحها الخارجي (موازيًا للمحور المركزي)، فإنّ عزم قصورها الذاتي حول المحور الجديد يكون:
أكبر من 1/2MR²
يساوي 1/2MR² تمامًا
يساوي صفرًا
أصغر من 1/2MR²
عجلة تبدأ الدوران من السكون بتسارع زاوي ثابت مقداره 3.5 rad/s²؛ فإنّ سرعتها الزاوية بعد 4.0 s بوحدة rad/s تساوي:
7
14
0.875
28
بالاستمرار على معطيات السؤال السابق؛ فإنّ الإزاحة الزاوية التي قطعتها العجلة خلال هذه المدّة بوحدة rad تساوي:
56
مصعد يتحرّك بواسطة بكرة نصف قطرها 0.5 m وعزم قصورها الذاتي 4 kg.m²، أثّر فيها عزم مقداره 10 N.m؛ فإنّ مقدار تسارعها الزاوي بوحدة rad/s² يساوي:
40
20
2.5
الأجسام ذات عزم القصور الذاتي الأكبر (لكتلة ونصف قطر متساويين) تحتاج لتدويرها بسرعة زاوية معيّنة إلى:
عزم أكبر
العزم نفسه بغضّ النظر عن عزم القصور الذاتي
لا علاقة بين العزم وعزم القصور الذاتي
عزم أصغر
تصميم عجلة المقود في السيارات بحيث تكون كتلتها موزّعة قرب الحافة الخارجية (كحلقة) بدلًا من قرص مصمت متجانس؛ يهدف إلى:
تقليل عزم القصور الذاتي لتسهيل تدويرها
زيادة عزم القصور الذاتي لصعوبة تدويرها
تقليل وزنها فقط دون أثر على الدوران
لا علاقة لتوزيع الكتلة بعزم القصور الذاتي
دولاب حدّاد (Flywheel) يُصمَّم بعزم قصور ذاتي كبير؛ لأنّ ذلك يجعله:
أخفّ وزنًا
يفقد طاقته الحركية الدورانية بسرعة
يحافظ على سرعة دورانية شبه ثابتة رغم التغيّرات المفاجئة في العزم المؤثّر
أسهل تدويرًا من السكون
عند سحب مكابح دراجة هوائية، تتباطأ عجلتها بتسارع زاوي سالب؛ وهذا يعني أنّ متّجه التسارع الزاوي يكون:
عموديًّا على متّجه السرعة الزاوية
معدوم القيمة
بنفس اتّجاه متّجه السرعة الزاوية
بعكس اتّجاه متّجه السرعة الزاوية
الوحدة الصحيحة لعزم القصور الذاتي حسب النظام الدولي للوحدات هي:
kg.m²
kg/m²
N.m
kg.m
عصا مضرب البيسبول (bat) توزيع كتلتها غير منتظم، معظمها عند الطرف السميك؛ فإنّ عزم قصورها الذاتي حول محور يمرّ باليد الممسكة بها (الطرف الرفيع) يكون:
أصغر ممّا لو كان التوزيع منتظمًا
أكبر ممّا لو كان التوزيع منتظمًا بالكتلة نفسها والطول نفسه
يساوي صفرًا دائمًا