كل ما تريد معرفته عن قانون السرعة... شرح مبسط ودقيق
في علم الفزياء؛ تعرف السرعة بأنها المسافة المقطوعة لكل وحدة من الزمن، كما أنها الكمية العددية التي تعبر عن حجم ناقل السرعة، وهي التي يتحرك بها جسم الإنسان.
تعريف مركب قد يصعب على الكثير فهمه؛ لذا المقال التالي يضع شروحًا مبسطة لقانون السرعة والمسافة والزمن في الفيزياء، وشرحًا مبسطًا آخرًا عن قانون السرعة النهائية المتوسطة والمتجهة، والفرق بين قانون السرعة والتسارع في الفيزياء.
ما هو قانون السرعة والمسافة والزمن؟
الإنسان إذا لم يتحرك على الإطلاق، فذلك يعني أن سرعة الجسم تساوي صفرًا، فالسرعة الأكبر تتحدد من خلال تحرك الجسم بصورة أسرع، كما أن السرعة الأقل هي التي تتحدد من خلال تحرك الجسم أبطأ.
قانون السرعة في الفزياء: س = م ÷ ز
وبذلك يتمثل قانون السرعة في الفيزياء من خلال العلاقة بين المسافة والزمن، فهي المسافة التي يقطعها الجسم المتحرك خلال فترة زمنية معينة.
وهناك العديد من قوانين السرعة. لكن قبل شرح تلك القوانين والفارق بينهم، تجدر الإشارة إلى أنه للتعبير عن القانون بصيغة رياضية فلا بد من منحها رمزية، كما الآتي:
س = م ÷ ز
ويرمز للسرعة في المعادلة الرياضية بالرمز (س).
بينما يرمز للمسافة بالرمز (م)،
ويرمز للزمن بالرمز (ز)
لتكون معادلة قانون السرعة هي ببساطة: السرعة = المسافة ÷ الزمن.
قانون السرعة المتوسطة
يعرف قانون السرعة المتوسطة بـ"السرعة التي يقطعها جسم متحرك خلال لحظة زمنية محددة، وهي مشتقة الإزاحة أو طول المسار المقطوع بالنسبة للزمن".
ولتمثيلها رياضيًا فهي كما يأتي:
معادلة السرعة اللحظية = طول المسار ÷ الزمن × 2.
ويعد طول المسار في قانون السرعة هو المسافة بين النقطة الأولى والنقطة الثانية على المسار.
أمَّا بالنسبة للرموز الرياضية:
فإنه يرمز للسرعة بالرمز (س).
ويرمز لطول المسار بالرمز (ط).
ويرمز إلى الزمن "ز".
لتكون معادلة السرعة المتوسطة رياضيًا:
س = ط ÷ ز × 2.
اقرأ أيضًا: 7 اكتشافات علمية كانت تستحق الفوز بنوبل.. هل تعرفها؟
وأما قانون السرعة المتوسطة في الفيزياء، تعني أنه إذا تحرك جسم بسرعة منتظمة فهذا يعني أن قيمة هذه السرعة لا تتغير، فالجسم الذي يتحرك بسرعة منتظمة يقطع مسافات متساوية خلال فترات زمنية متساوية.
وينطبق هذا في قانون السرعة على أي جسم يتحرك بسرعة منتظمة، دون النظر إلى جزء الرحلة الذي نستخدمه في العملية الحسابية، لأي جسم يتحرك بسرعة منتظمة، سنحصل على القيمة نفسها للسرعة دائمًا، لكن لا تتحرك جميع الأجسام بسرعة منتظمة دائمًا.
ولا يمكننا دائمًا التحدث عن السرعة المتوسطة للجسم خلال فترة زمنية محددة، فعندما تكون سرعة الجسم غير منتظمة فهذا يعني أنه لا يقطع مسافات متساوية خلال فترات زمنية متساوية، ففي هذه الحالة، نقول إن للجسم سرعة غير منتظمة، أو متغيِّرة.
قانون السرعة المتجهة
معادلة قانون السرعة الزاوية المتجهة، مطابقة تقريبًا لمعادلة السرعة القياسية، لكن الفرق الوحيد بينهما هو أن معادلة السرعة القياسية تربط التغير في المسافة، بدلًا من الإزاحة، بالتغير في الزمن.
وتعرف الإزاحة في قانون السرعة المتجهة بأنها "المسافة المستقيمة من نقطة إلى نقطة أخرى، وذلك بالنسبة إلى جسم يقطع مسارًا مستقيمًا ولا يغيّر اتجاهه، فتكون المسافة المقطوعة هي مقدار إزاحة الجسم".
ويمثل قانون السرعة المتجهة المتوسطة "معدل تغير المسافة بالنسبة للزمن".
الطريقة التقليدية لقياس السرعة المتجهة هي بقسمة مقدار التغير في السرعة على الزمن الذي حدث فيه التغيير، ولكنها ليست الطريقة الوحيدة لقياس السرعة المتجهة.
كما أنه يمثل السرعة المتجهة المتوسطة لجسم في حركة.
كما أنه مقدار فيزيائي يعبر عنه بالعلاقة بين المسافة المقطوعة والمدة الزمنية المستغرقة لقطع هذه المسافة.
قانون حساب السرعة
وحساب السرعة في قانون الفيزياء يفهم من خلال هذا المثال:
"إذا ركض الإنسان لمسافة مقدارها 100 متر خلال فترة زمنية مقدارها 20 ثانية، فإن ذلك يعني أنه يتحرك بمتوسط سرعة مقداره 5 أمتار في الثانية الواحدة".
وبصيغة أخرى فإن السرعة = 5 م/ث. هنا تجدر الإشارة إلى أنه يجب استخدام القانون العام التالي: السرعة = المسافة ÷ الزمن، لأن كل من المسافة والزمن معطى.
ويمكن قياس حساب السرعة، عبر قانون السرعة المنتظمة من خلال التعرف على هذا المثال أيضًا:
"إذا قاد شخص دراجة نارية لمسافة مقدارها 60 كيلومترًا خلال فترة زمنية مقدارها 4 ساعات من الزمن، فإن السرعة = المسافة ÷ الزمن، أي إن السرعة = 60 ÷ 4 = 15 كيلومترًا / ساعة".
هذا يعني أن الشخص يقود الدراجة النارية بمتوسط سرعة مقدارها 15 كيلومترًا عند قطع مسافة 60 كيلومترًا خلال 4 ساعات من الزمن".
اقرأ أيضًا: كل ما يجب أن تعرفه عن قوانين التعلم عن بعد
قانون سرعة التفاعل
سرعة التفاعل هي السرعة التي يقوم فيها التفاعل بالتقدم، والتي يعبر عنها في الغالب بأنها التركيز الخاص بالمواد التي تنتج في وحدة الزمن، أو التركيز الخاص بالمواد التي تفاعلت والمستهلكة في وحدة الزمن.
وتتباين سرعة كل تفاعل عن الآخر، فهناك من يتفاعل بصورة سريعة، ووقت قصير، وذلك مثل انفجار البارود، وأخرى قد تتطلب زمنًا طويلاً، وهذا يتوقف على مجموعة عوامل تقوم بتحديد سرعة هذا التفاعل.
قانون سرعة الضوء
قانون سرعة الضوء يتغير بحسب الوسط الذي يتحرك الضوء فيه، عند عبور الضوء خلال مواد شفافة مثل الزجاج أو الهواء تقل سرعته، النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته خلال مادة تسمى معامل الانكسار، كذلك تتغير سرعة الضوء بتأثير الجاذبية ما يولد ظاهرة عدسات الجاذبية.
ويعد القانون إحدى نتائج قوانين الكهرومغناطيسية (مثل معادلات ماكسويل) هي أن c، سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية لا تتعلق بسرعة الجسم التي يطلقها، أي إن سرعة الأمواج المنبعثة من جسم متحرك وجسم ساكن ستكون متساوية مع أن اللون، ذبذبة وطاقة الضوءين ستختلف، هذا ما يسمى بتأثير دوبلر النسبي.
قانون سرعة الصوت
يعتمد قانون سرعة الصوت في الهواء على الوسط الذي ينتقل خلاله الصوت، وخصائص الوسط التي تحدد سرعته، وهي الكثافة وقابلية الانضغاط، ومقدار الكتلة الموجودة في وحدة الحجم من المادة.
وتقيس قابلية الانضغاط في قانون السرعة مدى سهولة كبس المادة في حيز ضيق، وكلما زادت الكثافة وزادت قابلية الانضغاط، قلت سرعته، فالصوت ينتقل بسرعة أكبر خلال السوائل والأجسام الصلبة.
قانون السرعة اللحظية
يمثل قانون السرعة اللحظية، سرعة جسم عند لحظة زمنية معينة، والذي يعني أنه ليس ضروريًّا أن تتحرك جميع الأجسام بسرعة ثابتة دائمًا، فقد تبدو بعض منحنيات المسافة مقابل السرعة.
كما يمثل قانون السرعة اللحظية ميل خط المماس عند أي نقطة تقع على المنحنى البياني للإزاحة مع الزمن، وتعرف أيضاً بأنها سرعة الجسم عند نقطة محددة خلال فترة زمنية قصيرة جدًا قد تقترب من الصفر.
