Name: action-reaction forces in cart collisions
Uploaded: 2023-04-30T06:35:06.000Z
Duration: 10 min 12 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Arizona Science Standards

High School

Physical Science

HS.P3

HS.P3U1.6

Newton's Laws of Motion

1. حالات الاصطدام
<ol>
	<li>قم بربط مصد مطاطي (الشكل 1) في كل مستشعر قوة.</li>
	<li>اضبط كل مستشعر قوة على إعداد 50-N.</li>
	<li>قم بتصفير مستشعرات القوة قبل كل تجربة عن طريق الضغط على زر "صفر" بجوار السهم الأخضر الذي يبدأ في جمع البيانات.</li>
	<li>تحقق لمعرفة أن الاتجاه الإيجابي (أي إلى اليمين) محدد بشكل مناسب لكل مستشعر قوة.
	<ol>
		<li>ادفع مستشعر القوة المثبت على يمين العربة ؛ يجب أن يؤدي ذلك إلى قراءة قوة موجبة. ادفع على مستشعر القوة المركب على يسار العربة ؛ يجب أن يؤدي هذا إلى قراءة القوة السلبية.</li>
		<li>إذا كان كلاهما خاطئا ، فما عليك سوى عكس موضع العربة.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>إذا كان خطأ واحد فقط ، فانتقل إلى "قائمة التجربة" وحدد "إعداد المستشعرات". اختر مستشعر القوة المناسب وحدد "الاتجاه العكسي".</li>
	<li>يتضمن الاصطدام الأول عربات متساوية الكتلة. قم بتعيين عربة واحدة لتكون متوقفة قبل الاصطدام. سيتم إعطاء العربة الأخرى سرعة أولية باتجاه العربة الثابتة بحيث تصطدم العربات.</li>
	<li>اضغط على زر "جمع" (السهم الأخضر) قبل دفع عربة نحو الأخرى. امنح عربة واحدة دفعة صغيرة ، وحرر العربة ، ولاحظ الاصطدام. يجب ملاحظة قيم قوة الذروة بين حوالي 8 و 20 نيوتن في تجربة نموذجية. اضبط الدفع إذا كانت قيم قوة الذروة أصغر بكثير من هذا النطاق أو أكبر بكثير.</li>
	<li>بعد الاصطدام ، سيعرض الكمبيوتر رسما بيانيا ل "القوة مقابل الوقت" ، كما هو مسجل بواسطة كل مستشعر قوة.
	<ol>
		<li>إذا لم تظهر الرسوم البيانية ، فقم بعكس التشغيل.</li>
		<li>بعد الضغط على زر "جمع" ، لا يتم تسجيل أي بيانات فعليا حتى يسجل أحد مستشعرات القوة قيمة أعلى (أو أقل) من مستوى تشغيل معين. ومع ذلك ، إذا تم ضبط مستوى الزناد على قيمة موجبة وكان مستشعر القوة يعطي قيما سلبية للقوة فقط ، أو العكس ، فلن يتلقى الكمبيوتر أبدا الإشارة التي تخبره بتسجيل البيانات.</li>
		<li>للتحقق من إعداد المشغل أو عكسه، اضغط على أيقونة "جمع البيانات" (مباشرة على يسار الزر "صفر") وحدد علامة التبويب "تشغيل".</li>
	</ol>
	</li>
	<li>الخياران المستخدمان في هذه التجربة هما "الزيادة عبر 0.2 نيوتن" و "الانخفاض عبر -0.2 نيوتن". إذا لم يتسبب أحد هذين الإعدادات في التشغيل الضروري، فقم بالتبديل إلى الآخر.
	<ol>
		<li>في الاصطدام الثاني ، يجب أن يكون للعربة الثابتة 2-3 أضعاف كتلة العربة التي تتحرك قبل الاصطدام. لتحقيق ذلك ، أضف وزنا واحدا أو أكثر إلى العربة الثابتة. كرر العملية (انظر الخطوات أدناه).</li>
		<li>قم بتعيين العربة ذات الكتلة الأعلى لتكون ثابتة قبل الاصطدام.</li>
		<li>اضغط على زر "جمع" وادفع العربة ذات الكتلة المنخفضة باتجاه العربة ذات الكتلة الأعلى.</li>
		<li>سيعرض الكمبيوتر الرسم البياني "القوة مقابل الوقت".</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
 في الاصطدام الثالث ، يجب أن يكون للعربة التي تتحرك قبل الاصطدام 2-3 أضعاف كتلة العربة الثابتة. حقق ذلك عن طريق نقل الوزن (الأوزان) الزائدة من عربة إلى أخرى. كرر عملية تنفيذ الاصطدام وجمع البيانات.
2. مواقف الدفع والسحب
<ol>
	<li>استبدل المصدات المطاطية الموجودة على كل مستشعر قوة بخطافات.</li>
	<li>قم بربط العربات معا للسماح لعربة واحدة بدفع أو سحب العربة الأخرى.</li>
	<li>عكس حالة التشغيل، كما هو موضح في الخطوة 1.8.</li>
	<li>ابدأ بعربات متساوية الكتلة.</li>
	<li>اضغط على زر "جمع".</li>
	<li>إما أن تسحب أو تدفع إحدى العربات بحيث تسحب أو تدفع العربة الأخرى ، على التوالي ، أو تهزها ذهابا وإيابا بحيث يحدث كل من السحب والدفع.</li>
	<li>امنح العربة التي يتم سحبها و / أو دفعها 2-3 أضعاف كتلة العربة الأخرى. كرر عملية جمع البيانات.
	<ol>
		<li>سجل بيانات "القوة مقابل الوقت" لسيناريو الدفع / السحب هذا.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>امنح العربة تقوم بالسحب و / أو الدفع 2-3 أضعاف كتلة العربة الأخرى. كرر عملية جمع البيانات.
	<ol>
		<li>سجل بيانات "القوة مقابل الوقت" في سيناريو الدفع / السحب هذا.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<div class = "chapter_text" id = "script_0">قوانين نيوتن للحركة هي أساس الميكانيكا الكلاسيكية وتصف العلاقة بين الجسم والقوى المؤثرة عليه. على سبيل المثال ، عندما يكون الصاروخ في حالة سكون على منصة الإطلاق قبل الإطلاق ، يمارس الصاروخ والأرض قوى متساوية ومعاكسة على بعضهما البعض. للإقلاع ، أو عندما يكون الصاروخ في الفضاء ، يدفع الغاز المتمدد من الوقود المحترق الصاروخ ويدفعه إلى الأمام. ومع ذلك ، فإن الأمر الأقل وضوحا هو أن الصاروخ يدفع الغاز في نفس الوقت. هذه الظواهر البسيطة تخضع لقوانين نيوتن للحركة ، على الرغم من أن القوى العاملة قد لا تكون واضحة لأن القوى ليست مرئية دائما. سيقدم هذا الفيديو أساسيات قوانين نيوتن للحركة ، ثم يوضح المفهوم من خلال سلسلة من التجارب التي تقيس القوى بين عربتين بعجلتين في مواقف مختلفة.</div><div class = "chapter_text" id = "script_1" >تتكون قوانين نيوتن للحركة من ثلاثة قوانين رئيسية. القانون الأول هو الأبسط ، وينص على أن الجسم في حالة سكون يبقى في حالة راحة ، ما لم يتم التصرف بناء عليه من قبل قوة. وبالمثل ، يظل الجسم المتحرك في حالة حركة ما لم تتصرف بناء عليه قوة. على وجه التحديد ، إذا كانت القوى الكلية على الجسم صفرا ، فإن سرعة الجسم ثابتة ، سواء كانت السرعة صفرا أم لا. ومع ذلك ، فإن القوة المطبقة ، مثل ركل الكرة أو الاصطدام بالحائط ، تتسبب في تغيير سرعة الجسم. ينص قانون نيوتن الثاني على أن معدل تغير سرعة الأجسام ، المسمى التسارع ، يتناسب طرديا مع القوة المطبقة عليها. عامل التناسب هو كتلة الجسم نفسه. بمعنى آخر ، إذا كان الجسم يتسارع ، فهناك قوة صافية عليه. يتوافق هذا القانون مع القانون الأول ، حيث يكون معدل تغير سرعة الجسم - تسارعه - صفرا عندما لا تكون هناك قوة صافية مطبقة. أخيرا ، ينص قانون نيوتن الثالث على أن قوى جسمين يعملان على بعضهما البعض متساويتان في الحجم ولكنهما معاكسان في الاتجاه ، وغالبا ما يصعب فهم هذا السلوك. على سبيل المثال ، عندما يصطدم جسمان من كتل مختلفة ، غالبا ما يفترض أن الجسم الأكثر ضخامة يمارس قوة أكبر من الجسم الأقل كتلة. ومع ذلك ، فإن القوى متساوية ومعاكسة. يتم التعبير عن قانون نيوتن الثالث بشكل شائع بعبارة ، "لكل فعل رد فعل متساو ومعاكس". على وجه التحديد ، تسمى القوى بين جسمين متفاعلين "أزواج الفعل والتفاعل" ، والتي تتساوي في الحجم ومتقابلة في الاتجاه. لكن استجابات الأجسام - أي تسارعها - قد لا تكون متساوية. وذلك لأن التسارع يتناسب عكسيا مع الكتلة وفقا لقانون نيوتن الثاني. ضع في اعتبارك ما يحدث عندما تصطدم شاحنة كبيرة جدا بسيارة صغيرة جدا. إذا كان الفعل ورد الفعل يشيران إلى قوى التأثير بينهما ، فإن الفعل ينتج عنه بالفعل رد فعل متساو ومعاكس. ولكن بسبب الاختلافات الكبيرة في الكتل بين الشاحنة والسيارة ، فإن تأثيرات هذه القوى مختلفة تماما. تنتعش السيارة بشكل كارثي بينما لا تكاد تغير الشاحنة الأكثر ضخامة مسارها. والآن بعد أن تم عرض مبادئ قوانين نيوتن للحركة، دعونا نلقي نظرة على سلوك الأجسام المتحركة، ونربط سلوكها بقانون نيوتن الثالث للحركة.</div><div class = "chapter_text" id = "script_2" >تستخدم التجارب التالية عربتين بعجلات ، تنزلقان على مسار طويل منخفض الاحتكاك. تم تجهيز كل عربة بمستشعر قوة متصل بواجهة كمبيوتر لتسجيل البيانات. يتم وضع كل مستشعر لضرب مستشعر العربة الأخرى أثناء الاصطدام ، أو لدفع أو سحب مستشعر العربة الأخرى أثناء انزلاقها على المسار. قبل البدء في تجارب الاصطدام ، يجب إعداد مستشعرات القوة للتأثير وتكوينها لمستوى القوة المتوقع. أولا ، قم بربط المصد المطاطي على مكبس كل مستشعر قوة. حدد موقع مفتاح الانزلاق أعلى مستشعر القوة. اضبط هذا المفتاح على موضع 50 نيوتن لكل مستشعر. يبدأ زر "جمع" ، الذي يشبه السهم الأخضر ، في جمع البيانات. قبل كل تجربة ، اضغط على الزر الموجود بجوار هذا السهم الأخضر لتصفير مستشعر القوة. صفر كل من مستشعرات القوة ثم تحقق منها للتأكد من تحديد الاتجاه الإيجابي لكل منهما إلى اليمين. ادفع المستشعر باستخدام المكبس الذي يشير إلى اليمين. يجب أن تكون قراءة القوة موجبة. ادفع المستشعر باستخدام المكبس الذي يشير إلى اليسار. يجب أن تكون قراءة القوة سالبة. إذا كانت قراءتا القوة خاطئتين ، فقم بعكس مواضع العربات.إذا كانت قراءة واحدة فقط خاطئة ، فانتقل إلى قائمة "التجربة" ، وحدد "إعداد المستشعرات". اختر مستشعر القوة المناسب وحدد "الاتجاه العكسي".</div><div class = "chapter_text" id = "script_3" >بعد تكوين مستشعرات القوة بشكل صحيح ، يكون الجهاز جاهزا للتجربة الأولى ، والتي تستخدم عربات متساوية الكتلة. اختر عربة واحدة لتكون ثابتة في بداية الاختبار. صفر كل من مستشعرات القوة ثم اضغط على زر "جمع" لبدء تسجيل البيانات. ادفع العربة الأخرى وحررها حتى تنزلق من تلقاء نفسها وتصطدم بالعربة الثابتة. بعد الاصطدام ، يعرض الكمبيوتر مخططا ل "القوة مقابل الوقت" المسجلة بواسطة كل جهاز استشعار. يجب أن تتراوح مقادير قوة الذروة بين 8 و 20 نيوتن. إذا كانت قوة الذروة خارج هذا النطاق ، فكرر التجربة واضبط مدى قوة دفع العربة. عندما تصطدم العربات ذات الكتلة المتساوية ، تظهر هذه المؤامرة أن القوى التي يواجهونها متساوية ومعاكسة. نظرا لأن التسارع يساوي القوة مقسومة على الكتلة ، فإن كل عربة تتسارع بنفس الحجم ، ولكن في اتجاهين متعاكسين. <div</div> class = "chapter_text" id = "script_4">تكرر تجربة الاصطدام الثانية التجربة الأولى ولكن مع عربات ذات كتلة غير متساوية. اختر عربة واحدة لتكون ثابتة وقم بتحميلها بوزن واحد أو أكثر بحيث يكون لها 2 إلى 3 أضعاف كتلة العربة المتحركة. صفر كل من مستشعرات القوة ، اضغط على زر "جمع" وكرر تجربة الاصطدام عن طريق دفع العربة بدون أوزان في العربة الموزونة عندما تصطدم العربة المتحركة الأقل ضخامة بالعربة الأكثر ضخامة وثابتة ، فإنها ترتد بسرعات مختلفة جدا. على الرغم من المظاهر ، فإن أحجام القوات متساوية في الواقع ، كما تظهر المؤامرات بوضوح. قد يكون هذا السلوك محيرا ولكن ذلك لأن العربة الأقل ضخامة تشهد تسارعا أكبر من العربة الأكثر ضخامة ، مرة أخرى لأن التسارع يساوي القوة مقسومة على الكتلة. بعد ذلك ، انقل الأوزان من العربة الثابتة إلى العربة المتحركة لعكس أدوار العربات. كرر التجربة مع كون العربة المتحركة أكثر ضخامة والعربة الثابتة أقل ضخامة. صفر كل من مستشعرات القوة ، واضغط على زر "جمع". كرر التجربة عن طريق دفع العربة الموزونة إلى العربة غير المرجحة. كما هو الحال مع التجربة السابقة ، ترتد العربتان بسرعات مختلفة جدا ، بسبب كتلتهما المختلفة. ومع ذلك ، لا تزال قوى التأثير لها أحجام متساوية. لذلك ، بغض النظر عما إذا كانت العربات لها كتل متساوية أو مختلفة ، فإن قوى الاصطدام دائما ما تكون متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه.</div><div class = "chapter_text" id = "script_5" > لا ينطبق قانون نيوتن الثالث للحركة على الاصطدامات فحسب ، بل ينطبق أيضا على جميع المواقف التي يتفاعل فيها كائنان. ينطبق قانون نيوتن الثالث أيضا على تفاعلات الدفع والسحب بين كائنين. لفحص هذه الظاهرة ، تم تعديل تجربة العربة عن طريق استبدال المصدات المطاطية على مستشعرات القوة بخطافات ، ثم ربط العربات معا. كما تم عكس حالة التشغيل في برنامج جمع البيانات. عندما دفعت عربات متساوية الكتلة وسحبت الأخرى ، كانت القوى متساوية ومعاكسة ، على الرغم من تغير اتجاه الحركة. عندما تم دفع وسحب عربتين من الكتلة غير المتساوية ، لا تزال الظاهرة صحيحة. غالبا ما يدرس الفيزيائيون الذين يحاولون فهم تكوين الكواكب الاصطدامات. في هذا المثال ، تم تحضير جزيئات الغبار لمحاكاة الاصطدامات في النظام الشمسي المبكر. تم إسقاط الجسيمات وتسجيل تصادمها. مارست الجسيمات المتصادمة قوى ضد بعضها البعض ، والتي كانت متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه. عندما ظل كلا الجسمين سليمين ، تسببت قوى التأثير في ارتدادهما. <div</div> class = "chapter_text" id = "script_6" >لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لقوانين نيوتن للحركة. يجب أن تفهم الآن أساسيات القوانين الثلاثة ، وكيف تصف الحركة والقوى على الأشياء. شكرا للمشاهدة!</div>

المفهوم الذي تم تناوله في هذه التجربة ، وهو أنه في جميع التفاعلات ، تكون القوة التي يطبقها جسم ما على جسم آخر متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه للقوة التي يمارسها الجسم الثاني مرة أخرى على الأول ، له العديد من التطبيقات. على سبيل المثال ، (1) قوة الجاذبية التي تطبقها الشمس على الأرض مساوية ومعاكسة لقوة الجاذبية التي تطبقها الأرض على الشمس. (2) قوة الجاذبية التي تطبقها الأرض على القمر مساوية ومعاكسة لقوة الجاذبية التي يطبقها القمر على الأرض. (3) قوة الجاذبية التي تمارسها الأرض على تفاحة تساوي ومعاكسة لقوة الجاذبية التي تطبقها التفاحة على الأرض. (4) في حالة الاصطدام ، مثل الاصطدام بين سيارة وشاحنة في الشارع أو بين لاعبي كرة قدم ، تكون القوى دائما متساوية ومتعارضة ، بغض النظر عن كيفية مقارنة الجماهير. (5) عندما يقف شخص على الأرض أو يجلس على كرسي ، فإن القوة التي يمارسها الأرض أو الكرسي على ذلك الشخص تكون مساوية ومعاكسة للقوة التي يمارسها الشخص على الأرض أو الكرسي.

الهدف الأساسي من هذه التجربة هو استكشاف قانون نيوتن الثالث.
&lt; p class = "jove_content" &gt;يتكون الجهاز من عربتين ، كل منهما مزود بمستشعر قوة مثبت في الأعلى (الشكل 1). يتم توصيل مستشعرات القوة بجهاز كمبيوتر عبر واجهة كمبيوتر مخصصة. يقيس كل مستشعر قوة القوة التي يمارسها عليه مستشعر القوة الآخر أثناء الاصطدام أو حالة الدفع / السحب.
<img alt="الشكل 1" src="/files/ftp_upload/10038/10038fig1.jpg"> 
الشكل 1. الإعداد الأساسي. المكونات الرئيسية للجهاز هي العربات ذات العجلتين ، ولكل منهما مستشعر قوة مثبت في الأعلى ، وواجهة كمبيوتر.

قوانين نيوتن للحركة

المصدر: أندرو دافي ، دكتوراه ، قسم الفيزياء ، جامعة بوسطن ، بوسطن ، ماساتشوستس 
تدرس هذه التجربة مواقف مختلفة تنطوي على كائنين متفاعلين. 
أولا ، تفحص التجربة القوى التي يطبقها جسمان على بعضهما البعض أثناء تصادمهما الكائنات عبارة عن عربات ذات عجلات لها كتل متغيرة. الغرض من هذه التجربة هو اكتشاف متى تكون القوة التي تمارسها العربة الأولى على الأخرى بنفس حجم القوة التي تمارسها العربة الثانية على الأولى ، وكذلك عندما يكون لهاتين القوتين مقادير مختلفة. 
ثانيا ، يفحص القوى التي يمارسها جسمان على بعضهما البعض عندما تدفع إحدى العربات أو تسحب العربة الثانية. مرة أخرى ، ينصب التركيز على استكشاف المواقف التي يكون فيها للقوتين نفس الحجم وحيث يكون لهما مقادير مختلفة.

ينص قانون نيوتن الثالث على أنه عندما يتفاعل جسمان ، يمارس الجسم الثاني قوة على الجسم الأول تساوي في الحجم ومعاكسة في الاتجاه للقوة التي يمارسها الجسم الأول على الثاني. من السهل ذكر هذا ، ولكن قد يكون من الصعب قبوله. على سبيل المثال ، غالبا ما يفترض أن القوة التي يمارسها جسم أكبر على جسم أصغر أكبر من القوة التي يمارسها الجسم الأصغر على الجسم الأكبر. 
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10038/10038fig2.jpg"> 
الشكل 2. نتيجة الاصطدام الأول. القوى التي تعيشها العربات متساوية ومعاكسة. 
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10038/10038fig3.jpg"> 
الشكل 3 . نتيجة الاصطدام الثاني. القوى التي تعيشها العربات متساوية ومعاكسة. 
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/10038/10038fig4.jpg"> 
الشكل 4 . نتيجة الاصطدام الثالث. القوى التي تعيشها العربات متساوية ومعاكسة. 
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/10038/10038fig5.jpg"> 
الشكل 5 . نتيجة أول حالة دفع / سحب. القوى التي تعيشها العربات متساوية ومعاكسة. 
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/10038/10038fig6.jpg"> 
الشكل 6 . نتيجة حالة الدفع / السحب الثانية. القوى التي تعيشها العربات متساوية ومعاكسة. 
<img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/10038/10038fig7.jpg"> 
الشكل 7 . نتيجة حالة الدفع / السحب الثالثة. القوى التي تعيشها العربات متساوية ومعاكسة.

Source: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA
This experiment examines at various situations involving two interacting ...

قوانين نيوتن للحركة هي أساس الميكانيكا الكلاسيكية وتصف العلاقة بين الجسم والقوى المؤثرة عليه. على سبيل المثال ، عندما يكون الصاروخ في حالة سكون على منصة الإطلاق قبل الإطلاق ، يمارس الصاروخ والأرض قوى متساوية ومعاكسة على بعضهما البعض. للإقلاع ، أو عندما يكون الصاروخ في الفضاء ، يدفع الغاز المتمدد من الوقود المحترق الصاروخ ويدفعه إلى الأمام. ومع ذلك ، فإن الأمر الأقل وضوحا هو أن الصاروخ يدفع الغاز في نفس الوقت. هذه الظواهر البسيطة تخضع لقوانين نيوتن للحركة ، على الرغم من أن القوى العاملة قد لا تكون واضحة لأن القوى ليست مرئية دائما. سيقدم هذا الفيديو أساسيات قوانين نيوتن للحركة ، ثم يوضح المفهوم من خلال سلسلة من التجارب التي تقيس القوى بين عربتين بعجلتين في مواقف مختلفة. تتكون قوانين نيوتن للحركة من ثلاثة قوانين رئيسية. القانون الأول هو الأبسط ، وينص على أن الجسم في حالة سكون يبقى في حالة راحة ، ما لم يتم التصرف بناء عليه من قبل قوة. وبالمثل ، يظل الجسم المتحرك في حالة حركة ما لم تتصرف بناء عليه قوة. على وجه التحديد ، إذا كانت القوى الكلية على الجسم صفرا ، فإن سرعة الجسم ثابتة ، سواء كانت السرعة صفرا أم لا. ومع ذلك ، فإن القوة المطبقة ، مثل ركل الكرة أو الاصطدام بالحائط ، تتسبب في تغيير سرعة الجسم. ينص قانون نيوتن الثاني على أن معدل تغير سرعة الأجسام ، المسمى التسارع ، يتناسب طرديا مع القوة المطبقة عليها. عامل التناسب هو كتلة الجسم نفسه. بمعنى آخر ، إذا كان الجسم يتسارع ، فهناك قوة صافية عليه. يتوافق هذا القانون مع القانون الأول ، حيث يكون معدل تغير سرعة الجسم - تسارعه - صفرا عندما لا تكون هناك قوة صافية مطبقة. أخيرا ، ينص قانون نيوتن الثالث على أن قوى جسمين يعملان على بعضهما البعض متساويتان في الحجم ولكنهما متقابلان في الاتجاه غالبا ما يصعب فهم هذا السلوك. على سبيل المثال ، عندما يصطدم جسمان من كتل مختلفة ، غالبا ما يفترض أن الجسم الأكثر ضخامة يمارس قوة أكبر من الجسم الأقل كتلة. ومع ذلك ، فإن القوى متساوية ومعاكسة. يتم التعبير عن قانون نيوتن الثالث بشكل شائع بعبارة ، "لكل فعل رد فعل متساو ومعاكس". على وجه التحديد ، تسمى القوى بين جسمين متفاعلين "أزواج الفعل والتفاعل" ، والتي تتساوي في الحجم ومتقابلة في الاتجاه. لكن استجابات الأجسام - أي تسارعها - قد لا تكون متساوية. وذلك لأن التسارع يتناسب عكسيا مع الكتلة وفقا لقانون نيوتن الثاني. ضع في اعتبارك ما يحدث عندما تصطدم شاحنة كبيرة جدا بسيارة صغيرة جدا. إذا كان الفعل ورد الفعل يشيران إلى قوى التأثير بينهما ، فإن الفعل ينتج عنه بالفعل رد فعل متساو ومعاكس. ولكن بسبب الاختلافات الكبيرة في الكتل بين الشاحنة والسيارة ، فإن تأثيرات هذه القوى مختلفة تماما. تنتعش السيارة بشكل كارثي بينما لا تكاد تغير الشاحنة الأكثر ضخامة مسارها. والآن بعد أن تم عرض مبادئ قوانين نيوتن للحركة، دعونا نلقي نظرة على سلوك الأجسام المتحركة، ونربط سلوكها بقانون نيوتن الثالث للحركة. تستخدم التجارب التالية عربتين بعجلتين تنزلقان على مسار طويل منخفض الاحتكاك. تم تجهيز كل عربة بمستشعر قوة متصل بواجهة كمبيوتر لتسجيل البيانات. يتم وضع كل مستشعر لضرب مستشعر العربة الأخرى أثناء الاصطدام ، أو لدفع أو سحب مستشعر العربة الأخرى أثناء انزلاقها على المسار. قبل البدء في تجارب الاصطدام ، يجب إعداد مستشعرات القوة للتأثير وتكوينها لمستوى القوة المتوقع. أولا ، قم بربط المصد المطاطي على مكبس كل مستشعر قوة. حدد موقع مفتاح الانزلاق أعلى مستشعر القوة. اضبط هذا المفتاح على موضع 50 نيوتن لكل مستشعر. يبدأ زر "جمع" ، الذي يشبه السهم الأخضر ، في جمع البيانات. قبل كل تجربة ، اضغط على الزر الموجود بجوار هذا السهم الأخضر لتصفير مستشعر القوة. صفر كل من مستشعرات القوة ثم تحقق منها للتأكد من تحديد الاتجاه الإيجابي لكل منهما إلى اليمين. ادفع المستشعر باستخدام المكبس الذي يشير إلى اليمين. يجب أن تكون قراءة القوة موجبة. ادفع المستشعر باستخدام المكبس الذي يشير إلى اليسار. يجب أن تكون قراءة القوة سالبة. إذا كانت قراءتا القوة خاطئتين ، فقم بعكس مواضع العربات. إذا كانت قراءة واحدة فقط خاطئة ، فانتقل إلى قائمة "التجربة" ، وحدد "إعداد المستشعرات". اختر مستشعر القوة المناسب وحدد "الاتجاه العكسي". بعد تكوين مستشعرات القوة بشكل صحيح ، يكون الجهاز جاهزا للتجربة الأولى ، والتي تستخدم عربات متساوية الكتلة. اختر عربة واحدة لتكون ثابتة في بداية الاختبار. صفر كل من مستشعرات القوة ثم اضغط على زر "جمع" لبدء تسجيل البيانات. ادفع العربة الأخرى وحررها حتى تنزلق من تلقاء نفسها وتصطدم بالعربة الثابتة. بعد الاصطدام ، يعرض الكمبيوتر مخططا ل "القوة مقابل الوقت" المسجلة بواسطة كل جهاز استشعار. يجب أن تتراوح مقادير قوة الذروة بين 8 و 20 نيوتن. إذا كانت قوة الذروة خارج هذا النطاق ، فكرر التجربة واضبط مدى قوة دفع العربة. عندما تصطدم العربات ذات الكتلة المتساوية ، تظهر هذه المؤامرة أن القوى التي يواجهونها متساوية ومعاكسة. نظرا لأن التسارع يساوي القوة مقسومة على الكتلة ، فإن كل عربة تتسارع بنفس الحجم ، ولكن في اتجاهين متعاكسين. تكرر تجربة الاصطدام الثانية التجربة الأولى ولكن مع عربات ذات كتلة غير متساوية. اختر عربة واحدة لتكون ثابتة وقم بتحميلها بوزن واحد أو أكثر بحيث يكون لها 2 إلى 3 أضعاف كتلة العربة المتحركة. قم بصفر كل من مستشعرات القوة ، واضغط على زر "تجميع" وكرر تجربة الاصطدام عن طريق دفع العربة بدون أوزان إلى العربة الموزونة عندما تصطدم العربة المتحركة الأقل ضخامة بالعربة الأكثر ضخامة وثابتة ، فإنها ترتد بسرعات مختلفة جدا. على الرغم من المظاهر ، فإن أحجام القوات متساوية في الواقع ، كما تظهر المؤامرات بوضوح. قد يكون هذا السلوك محيرا ولكن ذلك لأن العربة الأقل ضخامة تشهد تسارعا أكبر من العربة الأكثر ضخامة ، مرة أخرى لأن التسارع يساوي القوة مقسومة على الكتلة. بعد ذلك ، انقل الأوزان من العربة الثابتة إلى العربة المتحركة لعكس أدوار العربات. كرر التجربة مع كون العربة المتحركة أكثر ضخامة والعربة الثابتة أقل ضخامة. صفر كل من مستشعرات القوة ، واضغط على زر "جمع". كرر التجربة عن طريق دفع العربة الموزونة إلى العربة غير المرجحة. كما هو الحال مع التجربة السابقة ، ترتد العربتان بسرعات مختلفة جدا ، بسبب كتلتهما المختلفة. ومع ذلك ، لا تزال قوى التأثير لها أحجام متساوية. لذلك ، بغض النظر عما إذا كانت العربات لها كتل متساوية أو مختلفة ، فإن قوى الاصطدام دائما ما تكون متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه. لا ينطبق قانون نيوتن الثالث للحركة على الاصطدامات فحسب ، بل ينطبق أيضا على جميع المواقف التي يتفاعل فيها جسمان. ينطبق قانون نيوتن الثالث أيضا على تفاعلات الدفع والسحب بين جسمين. لفحص هذه الظاهرة ، تم تعديل تجربة العربة عن طريق استبدال المصدات المطاطية على مستشعرات القوة بخطافات ، ثم ربط العربات معا. كما تم عكس حالة التشغيل في برنامج جمع البيانات. عندما دفعت عربات متساوية الكتلة وسحبت الأخرى ، كانت القوى متساوية ومعاكسة ، على الرغم من تغير اتجاه الحركة. عندما تم دفع وسحب عربتين من الكتلة غير المتساوية ، لا تزال الظاهرة صحيحة. غالبا ما يدرس الفيزيائيون الذين يحاولون فهم تكوين الكواكب الاصطدامات. في هذا المثال ، تم تحضير جزيئات الغبار لمحاكاة الاصطدامات في النظام الشمسي المبكر. تم إسقاط الجسيمات وتسجيل تصادمها. مارست الجسيمات المتصادمة قوى ضد بعضها البعض ، والتي كانت متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه. عندما ظل كلا الجسمين سليمين ، تسببت قوى التأثير في ارتدادهما. لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لقوانين نيوتن للحركة. يجب أن تفهم الآن أساسيات القوانين الثلاثة ، وكيف تصف الحركة والقوى على الأشياء. شكرا للمشاهدة!

Education

JoVE Science Education

Physics

الفيزياء

Physics I

فيزياء ١

action-reaction forces in cart collisions

Action-reaction forces appear when two carts interact through collisions, pushing, or pulling. The carts used in this experiment have variable masses, which lets students compare how the forces change in different situations.

The first part looks at two wheeled carts as they collide. The goal is to find when the force one cart exerts on the other has the same magnitude as the force the second cart exerts back on the first. It also examines when those two forces have different magnitudes.

The second part studies one cart pushing or pulling the other cart. Here, the focus stays on the same comparison between the two forces. Students explore when the forces match in size and when they do not.

Action-Reaction Forces in Cart Collisions

action-reaction-forces-in-cart-collisions

newton's laws of motion

Action-reaction forces appear when two carts interact through collisions, pushing, or pulling. The carts used in this experiment have variable masses, which lets students compare how the forces change in different situations. The first part looks at two wheeled carts as they collide. The goal is to find when the force one cart exerts on the other has the same magnitude as the force the second cart exerts back on the first. It also examines when those two forces have different magnitudes. The...

force and acceleration

Newton’s Second Law in a Glider Test

Newton’s second law links force and motion. In this experiment, students measure the acceleration of a glider as it is acted on by a force. The setup shows how motion changes when a net force is applied. The activity also connects to Isaac Newton’s three laws of motion. The first law explains that objects in motion tend to stay in motion. The second law explains that objects accelerate when a net force acts on them. The third law states that every force has an equal and opposite force. The...

vectors in multiple directions

Forces That Balance Vector Sums

Vectors are quantities with both magnitude and direction. In this experiment, vector addition and subtraction are shown in multiple directions. The goal is to calculate the result of several vectors and then check those results in the lab. A vector has a size, or magnitude, and a direction. The magnitude is shown by the length of the vector. The direction is usually given by the angle it makes with the x-axis. These ideas help describe how vector quantities combine. Forces are vectors, so...

kinematics and projectile motion

Projectile Motion Lab: Height and Range

Projectile motion can be used to study kinematics in one and two dimensions. In this lab, a projectile is launched straight up to examine motion in 1 dimension under constant acceleration. The maximum height is measured and compared with the kinematic equations for upward motion. The experiment also shows motion in 2 dimensions by launching the ball at an angle theta. From the initial speed, total time, and angle of trajectory, the landing distance can be predicted with kinematic equations.

newton's law of universal gravitation

Measuring Gravity on Earth

Gravity on Earth can be measured through gravitational acceleration, often written as g. This value describes the acceleration an object experiences on Earth because of Earth’s gravitational force. Knowing g is important because it tells us the strength of that force at Earth’s surface. The idea comes from Isaac Newton’s work on gravity. A famous story says he saw an apple fall from a tree and noticed its acceleration. That observation led him to think that a force was acting on the apple, and...

conservation of momentum

Momentum in Low-Friction Collisions

Momentum in low-friction collisions is tested by comparing the motion of objects before and after they collide. A surface with very little friction is used so the moving objects can be studied more clearly. Their initial momentum and final momentum are measured during the collision. Momentum conservation is one of the most important laws in physics. In physics, something is conserved when the initial value equals the final value. For momentum, this means the total initial momentum of a system...

friction

Measuring Static and Kinetic Friction

Friction is a force that opposes motion between two surfaces. This experiment examines the two main kinds of friction: static friction and kinetic friction. It also shows how to measure the coefficients of friction for objects sliding on a flat surface and down an inclined plane. Static friction acts when an object is not moving. A force must first be applied to start the object moving. Kinetic friction acts after motion begins. It slows a sliding object as the surfaces move past each other. <br...

hooke's law and simple harmonic motion

Spring Potential Energy and Hooke’s Law

Spring potential energy is a key idea in physics. It is the energy stored when a spring is stretched or compressed from its relaxed state. Because the spring can do work on an object, that stored energy is an important example of potential energy. Potential energy is the energy linked to forces that depend on an object’s position relative to its surroundings. Gravitational potential energy depends on height above the ground, and it is covered in another video. Spring potential energy depends...

equilibrium and free-body diagrams

Forces, Torque, and Structural Balance

Equilibrium in mechanics is a special case where an object or system has both zero net force and zero net torque. When that happens, linear acceleration and angular acceleration are also zero. The object may stay at rest, or its center of mass may move at a constant velocity. Even in equilibrium, forces can still act on an object. In fact, there are very few situations on Earth where no forces act at all. A person walking across a bridge is a simple example. The person pushes downward on the...

torque

Balancing Rotational Forces

Torque describes rotational force and how it acts in a system. It is the force that causes rotational acceleration, much as force causes linear acceleration. In this experiment, students learn the parts of torque and how they work together. Torque is defined as the product of a force and the distance of that force from the axis of rotation. The axis of rotation is the point or line around which an object turns. A larger force or a greater distance from the axis can change the size of the...

rotational inertia

Measuring How Mass Affects Spin

Rotational inertia describes how strongly an object resists changes in its spin. In linear motion, inertia is tied to mass. A more massive object needs more force to accelerate, and this idea is shown by Newton’s second law, where force equals mass times acceleration. For rotation, the same basic idea applies. Rotational inertia is the resistance of an object to being rotationally accelerated. It depends on mass and on how far that mass is from the center of rotation. Mass placed farther from...

angular momentum

Angular Momentum in Rotating Systems

Angular momentum in rotating systems depends on an object’s moment of inertia and its angular velocity. It is the rotational form of linear momentum. In this experiment, students examine how this quantity describes motion in a spinning object. Angular momentum is conserved. That means the total angular momentum of a system does not change if no external torques act on it. Torque is the rotational equivalent of force. Because of this conservation rule, angular momentum is an important quantity...

energy and work

Gravity, Kinetic Energy, and Work

Gravity, kinetic energy, and work are connected in this high school physics experiment. The activity shows the work-energy principle using a glider on an air track. It focuses on how gravitational potential energy changes into translational kinetic energy as the glider moves. Gravitational potential energy is the energy an object has because of its position in a gravitational field. An object placed higher above the ground has more gravitational potential energy. Translational kinetic energy...

enthalpy

Heat Flow and the First Law

Heat flow and the first law of thermodynamics explain how energy moves between objects at different temperatures. When a pot of water sits on a hot stove, heat flows from the stove to the water. This transfer continues until the temperatures tend to equalize. The same idea appears when objects are in thermal contact. Heat moves spontaneously from the hotter object to the colder one. For example, if ice cubes are added to a cup of room-temperature water, heat from the water flows to the ice.

entropy

Entropy and the Direction of Change

Entropy is a key idea in thermodynamics, the study of heat and energy. It connects to the second law of thermodynamics, which says that the entropy of a system always increases over time or stays constant in ideal cases. That constant change can happen in a steady state or during a reversible process. When a system undergoes an irreversible process, its entropy will always increase. In this case, the change in entropy, written as ΔS, is greater than or equal to zero. This rule helps describe...

physics i

This collection covers classical mechanics and thermodynamics discussing relevant laws and equations; every topic is presented with experiments validating theoretical hypothesis, and real world contextual examples. 

Explore how wheeled carts with variable masses interact during collisions, pushing, and pulling, and compare the forces each cart exerts on the other.

Action-Reaction Forces in Cart Collisions | JoVE K12

Next Generation Science Standards

motion-and-stability-forces-and-interactions

Motion and Stability: Forces and Interactions

HS-PS2-1

Florida Department of Education

SC.912.P.12

SC.912.P.12.8

south-carolina-college-and-career-ready-science-standards

South Carolina College and Career Ready Science Standards

P-PS2-1

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

HS. Forces and Interactions

HS-PS2-1.

Georgia Standards of Excellence

9-12

SPS8.

SP2.

Newton’s Laws of Motion

Andrew Duffy

Overview

The Laws of Motion

Set-up

Collision Between Carts of Equal Mass

Collisions Between Carts of Unequal Mass

Applications

Summary

Position and Displacement

The position of an object defines its location relative to a convenient frame of reference at any particular time. A frame of reference is an arbitrary ...

Average Velocity

To calculate the other physical quantities in kinematics, we must introduce the time variable. The time variable allows us not only to state the position ...

Average Acceleration

The importance of understanding acceleration spans our day-to-day experiences, as well as the vast reaches of outer space and the tiny world of subatomic ...

Instantaneous Acceleration

Acceleration is in the direction of the change in velocity, but it is not always in the direction of motion. When an object slows down, its acceleration ...

velocity-and-position-by-graphical-method

Velocity and Position by Graphical Method

Velocity and position can be calculated from the known function of acceleration as a function of time. The total area under the acceleration-time graph ...

Kinematic Equations - I

When an object moves with constant acceleration, the velocity of the object changes at a constant rate throughout the motion. The kinematic equations of ...

Kinematic Equations: Problem Solving

When analyzing one-dimensional motion with constant acceleration, the problem-solving strategy involves identifying the known quantities and choosing the ...

Force

Forces affect every moment of our life. Our bodies are held to the Earth by force, and they are held together by the forces of charged particles. When we ...

Mass and Weight

Mass and weight are often used interchangeably in everyday conversation. For example,&#160; medical records often show our weight in kilograms, but never ...

Newton's First Law: Introduction

Motion draws our attention. Motion itself can be beautiful, causing us to marvel at the forces needed to create spectacular sights, such as that of a ...

first-law-particles-in-one-dimensional-equilibrium

First Law: Particles in One-dimensional Equilibrium

Newton&#39;s first law of motion states that a body at rest remains at rest, or if in motion, remains in motion at constant velocity, unless acted on by a ...

Newton's Second Law

Newton&#39;s second law is closely related to his first law of motion. It mathematically gives the cause-and-effect relationship between force and changes ...

Force and Acceleration

Source: Nicholas Timmons,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, ...

Second Law: Motion under Same Force

Newton&#39;s laws can be applied to bodies at rest and bodies in motion. Newton&#39;s first law is applied to bodies in equilibrium, whereas the second ...

Newton's Third Law: Introduction

Whenever one body exerts a force on a second body, the first body experiences a force equal in magnitude and opposite in direction, to the force that it ...

Drawing Free-body Diagrams: Rules

The first step in describing and analyzing most phenomena in physics involves the careful drawing of a free-body diagram. Free-body diagrams are useful in ...

Free Body Diagrams: Examples

Solving problems that involve forces is easy using free-body diagrams. A free-body diagram is a sketch showing all the external forces that are acting on ...

Equilibrium and Free-body Diagrams

Source: Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, ...

Collect, analyze and interpret data regarding the change in motion of an object or system in one dimension, to construct an explanation using Newton’s Laws.

Solving Problems in Physics

Problem-solving is the ability to apply general physical principles to specific situations, usually expressed by equations. It is an essential skill in ...

Problem Solving in Statics

Problem-solving in statics is a crucial aspect of engineering and physics that involves resolving issues associated with bodies in a state of equilibrium. ...

An Introduction to Mechanics

Humans have been making ships, shelters, pyramids, weapons, agricultural equipment, and many more items without recording the process or theory behind ...

Introduction to Structures

A structure is defined as a system of interconnected members designed to support or transfer forces and successfully withstand the loads acting on them. ...

Simple Trusses

A truss is a structural framework consisting of slender members connected at joints, designed to support external loads while minimizing material usage ...

Method of Joints

The method of joints is a commonly used technique to analyze the forces in structural trusses. The method is based on the principle of equilibrium, which ...

Rigid Body Equilibrium Problems - I

A rigid body is said to be in static equilibrium when the net force and the net torque acting on the system is equal to zero. To solve for rigid body ...

Stability of structures

Consider two rods connected at point O by a pin and a torsional spring of constant k. The ends of both the rods are pin-connected.
If both the rods are ...

Buckling of Steel Columns

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
In the design of civil works, it is important ...

Machines

Machines are complex structures consisting of movable, pin-connected multi-force members that work together to transmit forces. One example of a machine ...

DC Motors

Source: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT. 
The DC machine operates with DC currents and voltages as ...

Rolling Resistance

When a solid cylinder rolls steadily on a rigid surface, the normal force applied by the surface on the cylinder is perpendicular to the tangent at the ...

Propulsion and Thrust

Source: Alexander S Rattner; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
Aircraft, rockets, ...

Rocket Propulsion in Empty Space - I

The driving force for the motion of any vehicle is friction, but in the case of rocket propulsion in space, the friction force is not present. The motion ...

aerodynamic-performance-of-a-model-aircraft-the-dc-6b

Aerodynamic Performance of a Model Aircraft: The DC-6B

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
The low-speed wind tunnel is ...

airfoil-behavior-pressure-distribution-over-a-clark-y-14-wing

Airfoil Behavior: Pressure Distribution over a Clark Y-14 Wing

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
An ...

Use mathematics and computational thinking to explain how Newton’s laws are used in engineering and technologies to create products to serve human ends.

HS.P3U2.7

Action-Reaction Forces in Cart Collisions

Description

Transcript

More videos by Standards