دولاب دراجة هوائية يدور بسرعة زاوية 5.0 rad/s وعزم قصوره الذاتي 0.10 kg.m²؛ فإنّ مقدار زخَمه الزاويّ بوحدة kg.m²/s يساوي:
5.0
0.02
50
0.5
العلاقة بين العزم المؤثّر في جسم والمعدّل الزمني لتغيُّر زخَمه الزاويّ تُعطى بالصورة:
τ = Δt/ΔL
τ = L/Δt²
τ = L × Δt
τ = ΔL/Δt
يُعرَّف الزخَم الزاويّ لجسم يدور بالعلاقة:
L = I/ω
L = Iω
L = I + ω
L = ω/I
شخص يجلس على كرسي دوّار يحمل عجلة دراجة تدور بسرعة معيّنة حول محور رأسي، وعندما يقلب اتّجاه دوران العجلة فجأة، فإنّ الشخص والكرسي:
يسقطان عن الكرسي
يتوقّف دوران العجلة فورًا دون أيّ تأثير آخر
يبقيان ساكنين دون أيّ تأثير
يبدآن بالدوران في الاتّجاه المعاكس لحفظ الزخَم الزاويّ الكلّي للنظام
عند تطبيق حفظ الزخَم الزاويّ على نظام كوكبي (كوكب يدور حول الشمس في مدار إهليلجي)، فإنّ سرعة الكوكب المدارية تكون أكبر ما يمكن عندما يكون:
السرعة المدارية ثابتة دائمًا بغضّ النظر عن البُعد
أبعد ما يمكن عن الشمس (بُعد أكبر يعني عزم قصور ذاتي أكبر)
أقرب ما يمكن من الشمس (بُعد أصغر يعني عزم قصور ذاتي أصغر فسرعة زاوية أكبر)
في منتصف المسافة بين أقرب وأبعد نقطة
عند سقوط قطّة من ارتفاع معيّن وهي مقلوبة، فإنّها تستطيع تدوير جسمها لتهبط على قدميها دون انتهاك قانون حفظ الزخَم الزاويّ؛ لأنّ الزخَم الزاويّ الكلّي للقطّة يبقى:
متغيّرًا باستمرار
صفرًا طوال عملية الدوران
أعظميًّا طوال الوقت
لا علاقة له بحركة القطّة
مقذوف يدور حول نفسه أثناء طيرانه في الهواء (كرصاصة البندقية الحلزونية الجوف)؛ فإنّ دورانه السريع يساعد على:
لا علاقة لدورانه بثبات مساره
زيادة عزم قصوره الذاتي فقط
زيادة ثبات اتّجاهه أثناء الطيران بفضل زخَمه الزاويّ الكبير الذي يقاوم أي عزم خارجي (كمقاومة الهواء) يحاول قلبه
تقليل سرعته الابتدائية
في نظام معزول دورانيًّا، إذا تضاعف عزم القصور الذاتي وتضاعفت السرعة الزاوية في الوقت نفسه؛ فإنّ هذا يعني أنّ:
الطاقة الحركية الدورانية تبقى ثابتة
لا يمكن أن يحدث هذا إطلاقًا تحت أيّ ظرف
الزخَم الزاويّ محفوظ (Iω يبقى ثابتًا؛ تناقض في المعطيات لأنّ كليهما تضاعف)
الزخَم الزاويّ يتضاعف أربع مرات؛ وهذا ينتهك قانون الحفظ ما لم يؤثّر عزم خارجي
طاقة حركية دورانية لعجلة عزم قصورها الذاتي 8 kg.m² وزخَمها الزاويّ 40 kg.m²/s بوحدة J تساوي:
100
200
5
320
عزم القصور الذاتي للأرض حول محورها يزداد ببطء شديد بسبب ذوبان الجليد القطبي وانتقال المياه نحو خطّ الاستواء (بُعد أكبر عن محور الدوران)؛ ووفقًا لحفظ الزخَم الزاويّ، فإنّ هذا يؤدّي إلى:
توقّف دوران الأرض فجأة
زيادة طفيفة في طول اليوم (تباطؤ دوران الأرض)
نقصان طول اليوم
لا يوجد أيّ تأثير على دوران الأرض
عندما يضمّ متزلّج ذراعيه فتزداد سرعته الزاوية، فإنّ الزيادة في طاقته الحركية الدورانية مصدرها:
طاقة وضع الجاذبية الأرضية
لا يوجد أيّ مصدر؛ فالطاقة تزداد من العدم
الطاقة الكيميائية المختزنة في عضلاته (الشغل الذي يبذله لضمّ ذراعيه)
الاحتكاك مع الجليد
إذا أثّر عزم خارجي محصّل في نظام دوراني مدّة زمنية معيّنة، فإنّ التغيُّر في زخَمه الزاويّ يُحسب من العلاقة:
ΔL = Δt/τ
ΔL = τ/Δt
ΔL = τ × Δt
ΔL = τ + Δt
عند تدوير دراجة هوائية بسرعة كبيرة، تصبح أكثر ثباتًا واتّزانًا مقارنةً بسرعة منخفضة؛ ويُعزى ذلك إلى:
تقليل وزنها الكلّي
لا علاقة لسرعة الدوران بالاتّزان
زيادة عزم قصورها الذاتي فقط
زيادة زخَمها الزاويّ الذي يقاوم التغيّر المفاجئ في اتّجاه محور الدوران
إذا أثّر عزم خارجي محصّل مقداره 8 N.m في جسم عزم قصوره الذاتي 4 kg.m² مدّة 5 s بدءًا من السكون؛ فإنّ مقدار الزخَم الزاويّ المكتسب بوحدة kg.m²/s يساوي:
0.625
10
1.6
40
عند حفظ الزخَم الزاويّ لنظام يدور بحرية، إذا تناقص عزم قصوره الذاتي إلى النصف؛ فإنّ سرعته الزاوية:
تقلّ إلى النصف
تبقى ثابتة
تصبح صفرًا
تتضاعف
عند مقارنة جسمين لهما الطاقة الحركية الدورانية نفسها، إذا كان عزم القصور الذاتي للجسم الأول أكبر من الثاني؛ فإنّ زخَمه الزاويّ (الأول مقارنة بالثاني) يكون:
أصغر من زخَم الجسم الثاني
أكبر من زخَم الجسم الثاني
مساويًا لزخَم الجسم الثاني
لا يمكن المقارنة دون معرفة السرعة الزاوية
عزم القصور الذاتي لنظام مكوّن من عدّة أجسام يتغيّر توزيع كتلتها؛ إذا اقتربت الكتلة أكثر من محور الدوران، فإنّ عزم القصور الذاتي والسرعة الزاوية للنظام (بافتراض نظام معزول) على الترتيب:
يقلّ، تزداد
يزداد، تزداد
يقلّ، تقلّ
يزداد، تقلّ
تُقاس وحدة الزخَم الزاويّ حسب النظام الدولي للوحدات بـ:
J.s
N.m
kg.m²/s
kg.m/s
عندما يضمّ متزلّج على الجليد ذراعيه نحو جسمه أثناء الدوران، فإنّ سرعته الزاوية:
تقلّ؛ لأنّ عزم قصوره الذاتي يزداد
تزداد؛ لأنّ عزم قصوره الذاتي يقلّ فيبقى الزخَم الزاويّ ثابتًا
تبقى ثابتة تمامًا
طاقة حركية دورانية لقرص عزم قصوره الذاتي 2.0 kg.m² ويدور بسرعة زاوية 10 rad/s بوحدة J تساوي:
20
عند ضمّ متزلّج على الجليد ذراعيه أثناء الدوران، فإنّ القوى المؤثّرة في يديه (لسحبهما نحو الجسم) تكون:
قوى تُلغي الزخَم الزاويّ الكلّي للنظام بالكامل
قوى تزيد الاحتكاك مع الجليد فقط
قوى خارجية تُحدث عزمًا خارجيًّا يغيّر الزخَم الزاويّ الكلّي للنظام
قوى داخلية لا تُحدث عزمًا خارجيًّا محصّلًا على النظام؛ لذا يبقى الزخَم الزاويّ محفوظًا
يقفز غطّاس من لوح الغطس وهو ممدود الجسم بالكامل (عزم قصور ذاتي كبير)، ثمّ يضمّ جسمه في الهواء (عزم قصور ذاتي أصغر)؛ فإنّ هذا التغيّر يهدف إلى:
زيادة سرعته الزاوية لأداء عدد أكبر من اللفّات قبل الوصول إلى الماء
إبطاء سرعة سقوطه الرأسية فقط
لا علاقة لضمّ الجسم بعدد اللفّات
تقليل عدد اللفّات التي يؤدّيها
متزلّجة على الجليد تدور بسرعة زاوية 3.0 rev/s وعزم قصورها الذاتي (وذراعاها ممدودتان) 4.6 kg.m²، ثمّ ضمّت ذراعيها فأصبح عزم قصورها الذاتي 1.2 kg.m²؛ فإنّ مقدار سرعتها الزاوية الجديدة بوحدة rev/s تساوي:
11.5
0.78
3.0
5.75
في نظام معزول (Στ=0)، عند تغيُّر عزم القصور الذاتي لجسم يدور بحرية، فإنّ سرعته الزاوية:
تبقى ثابتة دائمًا
تتغيّر بحيث يبقى حاصل ضرب Iω ثابتًا
تصبح صفرًا فورًا
تتضاعف دائمًا بغضّ النظر عن التغيّر في I
مروحة سقف عزم قصورها الذاتي 0.05 kg.m² تسارعت من السكون حتى بلغت سرعتها الزاوية 12 rad/s خلال 3 s؛ فإنّ مقدار العزم المتوسط المؤثّر فيها بوحدة N.m يساوي:
0.2
0.6
1.2
0.1
يستدير الغطّاس (لاعب الغطس) بضمّ جسمه أثناء القفز في الهواء؛ وذلك من أجل:
زيادة عزم قصوره الذاتي فتقلّ سرعته
تقليل طاقته الحركية الدورانية
لا علاقة لضمّ الجسم بالدوران
تقليل عزم قصوره الذاتي فتزداد سرعته الزاوية ليكمل عدد لفّاته
إذا تضاعفت السرعة الزاوية لجسم يدور مع بقاء عزم قصوره الذاتي ثابتًا؛ فإنّ طاقته الحركية الدورانية:
تنخفض إلى النصف
تصبح أربعة أمثالها
تبقى كما هي
أسطوانتان متماثلتان في الكتلة ونصف القطر، الأولى مصمتة والثانية مجوّفة، تدوران بالزخَم الزاويّ نفسه؛ فإنّ سرعتها الزاوية الأكبر تكون لـ:
كلتاهما بالسرعة نفسها
لا يمكن تحديد ذلك دون معرفة الكتلة
الأسطوانة المصمتة؛ لأنّ عزم قصورها الذاتي أصغر
الأسطوانة المجوّفة؛ لأنّ عزم قصورها الذاتي أصغر
العلاقة بين الزخَم الزاويّ ومتّجه السرعة الزاوية لجسم يدور هي أنّهما:
متّفقان في الاتّجاه نفسه
لا توجد علاقة ثابتة بينهما
متعامدان دائمًا
متعاكسان في الاتّجاه دائمًا
يمكن تفسير ثبات اتّجاه محور دوران الأرض تقريبًا (بغضّ النظر عن الترنّح الطفيف) بأنّه نتيجة مباشرة لـ:
كبر الزخَم الزاويّ للأرض الذي يقاوم أيّ عزم خارجي صغير يحاول تغيير اتّجاهه
بُعد الأرض عن الشمس
دوران القمر حول الأرض
ضخامة كتلة الأرض فقط
راقصة الباليه تدور حول نفسها على رؤوس أصابع قدميها، وعندما تمدّ ذراعيها للأعلى بدلًا من ضمّهما، فإنّ سرعتها الزاوية:
تقلّ
لا علاقة لوضع الذراعين بالسرعة الزاوية
تزداد
تُستخدم عجلات الحدّاد (Flywheels) الدوّارة الضخمة في بعض محطّات الطاقة لتخزين الطاقة الحركية الدورانية؛ لأنّها تتميّز بـ:
عدم القدرة على الدوران إطلاقًا
استهلاكها للطاقة بدلًا من تخزينها
عزم قصور ذاتي كبير يمكّنها من تخزين طاقة كبيرة عند سرعات دوران معقولة
عزم قصور ذاتي صغير جدًّا
محرّك سيارة يؤثّر بعزم دوران على عمود الإدارة، والعلاقة بين هذا العزم والزخَم الزاويّ الناتج عن دوران العمود المتسارع تُوصف بمعادلة:
لا توجد علاقة بين العزم والزخَم الزاويّ
τ = Iα وτ = ΔL/Δt
τ يساوي صفرًا دائمًا
τ = L فقط بلا علاقة بالزمن
جيروسكوب (Gyroscope) يحافظ على اتّجاه محور دورانه في الفضاء دون تغيّر إلّا بتأثير عزم خارجي؛ وهذا تطبيق مباشر لـ:
قانون كولوم
قانون حفظ الطاقة
قانون حفظ الزخَم الزاويّ
قانون حفظ الزخَم الخطّي
عند حفظ الزخَم الزاويّ لنظام يتغيّر عزم قصوره الذاتي، فإنّ الطاقة الحركية الدورانية للنظام:
تبقى محفوظة دائمًا مثل الزخَم الزاويّ
قد تتغيّر (تزداد أو تقلّ) رغم ثبات الزخَم الزاويّ
تصبح صفرًا دائمًا
تساوي صفر الزخَم الزاويّ دائمًا
إذا تضاعف عزم القصور الذاتي لجسم يدور مع بقاء زخَمه الزاويّ ثابتًا؛ فإنّ طاقته الحركية الدورانية:
ينصّ قانون حفظ الزخَم الزاويّ على أنّه في غياب عزم خارجي محصّل مؤثّر في نظام معزول:
يبقى الزخَم الزاويّ الكلّي للنظام ثابتًا
تبقى السرعة الزاوية للنظام ثابتة دائمًا
تبقى الطاقة الحركية الدورانية ثابتة دائمًا
يبقى عزم القصور الذاتي للنظام ثابتًا
كوكب يدور حول الشمس في مدار إهليلجي؛ فإنّ الزخَم الزاويّ للكوكب حول الشمس طوال مداره يكون:
معدومًا عند جميع نقاط المدار
أعظميًّا فقط عند أقرب نقطة من الشمس
متغيّرًا باستمرار بتغيّر البُعد عن الشمس
محفوظًا؛ لأنّ قوّة الجذب بين الكوكب والشمس تمرّ دائمًا عبر مركز الكوكب (لا تُحدث عزمًا)
مقارنة بين جسمين لهما الزخَم الزاويّ نفسه؛ الجسم الذي له عزم قصور ذاتي أصغر يكون:
ساكنًا تمامًا
أبطأ دورانًا (سرعة زاوية أصغر)
أسرع دورانًا (سرعة زاوية أكبر)
له السرعة الزاوية نفسها للجسم الآخر
طالب يقف على منصّة دوّارة ساكنة يحمل عجلة دراجة ساكنة، وعندما يدير العجلة يدويًّا بسرعة معيّنة حول محور رأسي، فإنّ الطالب والمنصّة:
يبقيان ساكنين تمامًا
يبدآن بالدوران بعكس اتّجاه دوران العجلة؛ لحفظ الزخَم الزاويّ الكلّي للنظام (كان صفرًا في البداية)
يدوران في الاتّجاه نفسه لدوران العجلة
يسقط الطالب فورًا عن المنصّة
عجلة دوّارة (Flywheel) عزم قصورها الذاتي 5.0 kg.m² تدور بسرعة زاوية 20 rad/s؛ فإنّ طاقتها الحركية الدورانية المختزنة بوحدة J تساوي:
1000
500
ثلاثة أطفال كتلهم 20 kg، 28 kg، 32 kg يقفون عند حافّة لعبة دوّارة كتلتها 100 kg ونصف قطرها 2.0 m، ويدور النظام بسرعة زاوية ثابتة 2.0 rad/s. إذا تحرّك الطفل ذو الكتلة 20 kg ووقف عند مركز القرص، فإنّ عزم القصور الذاتي الابتدائي للنظام (أطفال ولعبة) بوحدة kg.m2 يساوي:
600
520
440
480
عندما يمدّ متزلّج على الجليد ذراعيه بعيدًا عن جسمه أثناء الدوران، فإنّ سرعته الزاوية:
تزداد؛ لأنّ عزم قصوره الذاتي يقلّ
تقلّ؛ لأنّ عزم قصوره الذاتي يزداد فيبقى الزخَم الزاويّ ثابتًا
تُعرَّف الطاقة الحركية الدورانية لجسم يدور بسرعة زاوية ω وعزم قصوره الذاتي I بالعلاقة:
KE = ½Iω²
KE = ½Iω
KE = Iω²
KE = Iω
عند إيقاف عجلة دراجة تدور بسرعة زاوية معيّنة باستخدام المكابح، فإنّ العزم الذي تؤثّر به المكابح يكون:
بنفس اتّجاه الزخَم الزاويّ للعجلة
معاكسًا لاتّجاه الزخَم الزاويّ للعجلة؛ لتقليله حتى يصل للصفر
عموديًّا على اتّجاه الزخَم الزاويّ دائمًا
لا علاقة للمكابح بالزخَم الزاويّ