ساعدنیوز: فی هذا المقال، ستتعلّم کیفیه صنع مقیاس قوه بسیط باستخدام مواد متوفره بسهوله وقانون هوک. ویمکن استخدام مقیاس القوه هذا لقیاس قوه الأجسام وکتلتها.
وفقًا لما ورد فی «ساعدنیوز»، تُعدّ القوه کمیه فیزیائیه مهمه، وتؤدی دورًا أساسیًا فی علم الفیزیاء. وقد وضع إسحاق نیوتن أساس الفیزیاء الکلاسیکیه من خلال صیاغه قوانینه الثلاثه للحرکه المتعلقه بالقوه.
ولهذا السبب، سُمّیت وحده قیاس القوه باسم «النیوتن» (N) تکریمًا لهذا العالم العظیم. ومن الجوانب المهمه فی دراسه القوه القدره على قیاسها بدقه.
فی المختبرات، تُقاس القوه عادهً باستخدام أجهزه دقیقه لقیاس القوه. أما فی هذه التجربه، فالهدف هو صنع جهاز بسیط لقیاس القوه باستخدام عدد قلیل من المواد الأساسیه.
یعتمد جهاز قیاس القوه الموضح هنا على قانون هوک. وینطبق قانون هوک على النوابض، وینص على أنه عند تطبیق قوه على نابض، شریطه ألا تتجاوز هذه القوه حدّ المرونه للنابض أو تؤدی إلى تشوّه دائم فیه، فإن التغیر فی طول النابض یتناسب طردیًا مع القوه المؤثره علیه.
ولکل نابض ثابت یُعرف باسم «ثابت النابض»، وهو یمثل مدى صلابته. ویحوّل هذا الثابت العلاقه التناسبیه إلى معادله ریاضیه.
وبعباره أخرى، إذا رمزنا إلى القوه المؤثره بالرمز F، وإلى التغیر فی الطول بالرمز ΔL، وإلى ثابت النابض بالرمز K، فیمکن کتابه قانون هوک على النحو الآتی:
F = KΔL
قطعه من سلک النحاس أو الحدید بطول 0.5 متر.
قضیب واحد.
حامل أو قاعده واحده.
مسطره واحده.
ثقل ذو کتله معلومه ومناسبه.
أولًا، لَفّ سلک النحاس أو الحدید حول قلم حبر أو قلم رصاص بحیث یأخذ السلک شکل نابض. ثبّت القضیب على الحامل بحیث یبقى فی وضع أفقی.
علّق النابض من إحدى نقاط القضیب. وینبغی ثنی طرفَی النابض على شکل خطّافین حتى یمکن تعلیقه بسهوله.
قِس طول النابض وهو غیر محمّل بعنایه باستخدام المسطره، وسجّل القیاس. ولنفترض أن هذا الطول الابتدائی هو L₁.
بعد ذلک، علّق الثقل ذی الکتله المعلومه فی الطرف الآخر من النابض. ویجب اختیار الکتله بعنایه بحیث لا تکون کبیره إلى درجه تؤدی إلى تمدد النابض أو تشوّهه بشکل دائم. انتظر حتى یصل النابض إلى حاله الاتزان.
قِس الطول الجدید للنابض باستخدام المسطره، وسجّله على أنه L₂.
یُحسب التغیر فی طول النابض وفق المعادله:
ΔL = L₂ − L₁
إذا رمزنا إلى کتله الثقل المعلومه بالرمز m، وإلى تسارع الجاذبیه الأرضیه فی موقع التجربه بالرمز g، فیمکن حساب ثابت النابض K باستخدام العلاقه:
mg = KΔL
وبالتالی:
K = mg / ΔL
بعد تحدید ثابت النابض، یمکن استخدام الجهاز لقیاس کتل غیر معلومه. وذلک من خلال قیاس مقدار التغیر فی طول النابض واستخدام العلاقه:
mg = KΔL
ومنها یمکن حساب الکتله المجهوله m وفق المعادله:
m = KΔL / g
من المهم تذکّر أن لکل نابض ثابتًا خاصًا به. کما یجب عدم تعلیق أوزان ثقیله جدًا بالنابض، لأنها قد تؤدی إلى تمدده بما یتجاوز حدّ مرونته، مما یسبب تغیرًا دائمًا فی شکله.
