ما الدفع؟
الدفع هو تأثير قوة خلال زمن معين. عندما تؤثر قوة في جسم مدة زمنية، فإنها تغير زخمه. يرمز للدفع عادة بالرمز \( J \)، ويحسب عند ثبات القوة تقريبًا من العلاقة:
\( J = F \Delta t \)
وحدة الدفع
وحدة الدفع هي نيوتن ثانية:
\( n \cdot s \)
وهي مكافئة لوحدة الزخم:
\( kg \cdot m/s \)
نظرية الدفع والزخم
تنص النظرية على أن الدفع يساوي التغير في الزخم:
\( J = \Delta p \)
أي:
\( F_{avg} \Delta t = mv_f - mv_i \)
حيث \( v_i \) السرعة الابتدائية و\( v_f \) السرعة النهائية.
المعنى الفيزيائي
لتغيير زخم جسم يمكن التأثير بقوة كبيرة خلال زمن قصير، أو بقوة أصغر خلال زمن أطول. التغير في الزخم قد يكون نفسه، لكن القوة المتوسطة تختلف حسب زمن التأثير.
مثال محلول
كرة كتلتها 0.5 kg كانت تتحرك بسرعة 20 m/s ثم توقفت بعد اصطدامها بحائط. الزخم الابتدائي:
\( p_i = 0.5 \times 20 = 10 \; kg \cdot m/s \)
والزخم النهائي صفر، لذلك:
\( \Delta p = 0 - 10 = -10 \; kg \cdot m/s \)
إذا توقفت خلال 0.1 s، فإن القوة المتوسطة:
\( F_{avg} = \frac{-10}{0.1} = -100 \; n \)
وإذا توقفت خلال 0.01 s، فإن:
\( F_{avg} = \frac{-10}{0.01} = -1000 \; n \)
إذن تقليل زمن التوقف يزيد القوة المتوسطة كثيرًا.
تطبيقات مهمة
الوسائد الهوائية في السيارات تزيد زمن توقف الراكب أثناء التصادم، فتقل القوة المتوسطة المؤثرة فيه. مناطق الانهيار في مقدمة السيارة تعمل بالفكرة نفسها. في الرياضة، يحرك اللاعب يديه إلى الخلف عند التقاط الكرة حتى يزيد زمن توقفها وتقل القوة على اليدين.
الدفع والرسم البياني
في رسم القوة والزمن، المساحة تحت المنحنى تمثل الدفع. إذا كانت القوة ثابتة، تكون المساحة مستطيلًا:
\( J = F \Delta t \)
مثال: قوة 50 n أثرت لمدة 0.2 s، فإن الدفع:
\( J = 50 \times 0.2 = 10 \; n \cdot s \)
أخطاء شائعة
- اعتبار الدفع هو القوة فقط دون الزمن.
- نسيان أن الدفع يساوي تغير الزخم لا الزخم نفسه دائمًا.
- إهمال الاتجاه في \( \Delta p \).
- الاعتقاد أن الوسادة الهوائية تلغي تغير الزخم؛ هي غالبًا تزيد زمن التوقف فتقل القوة.
خلاصة
الدفع يساوي القوة مضروبة في زمن تأثيرها، ويساوي التغير في الزخم. لذلك يكون التوقف المفاجئ خطرًا: الزمن قصير، والقوة كبيرة. أما زيادة زمن التصادم فتجعل القوة أقل، وهذا هو سر كثير من وسائل السلامة.