الحركة الدورانية والتي تعتبر واحدة من أنواع الحركة المختلفة التي سوف نتعرض لها بالتفصيل خلال هذا المقال، تتبع بل وتعد أحد فروع علم الميكانيكا الذي تهتم بدراسته الفيزياء الحديثة، ونتيجة للأثر البالغة لهذه الحركة في العديد من التطبيقات الحياتية المتنوعة أصبح من المهم المضي في تعلمها والتعرف على مفهومها وما هي الوحدات الخاصة بقياس بوحدتها، بالإضافة إلى من هو مكتشفها وأهم القوانين التي وضعها لها للاستفادة منها وتنظيم طريقة العمل بها.

الحركة الدورانية

يتم تعريف الحركة الدورانية على أنها قيام جسم بالالتفاف حول مركزه أو حول مركز جسم آخر، حيث يعتمد في ذلك على مقدار من عزم القوم اللازم للتأثير على هذا الجسم.

التعبير عن الدوران بشكل عام يكون من خلال استخدام القانون الآتي: العزم= القوة× المسافة×جاهـ.

حيث تدل المسافة في هذا القانون على المسافة الواقعة ما بين محور الدوران والنقطة التي تأثرت بالقوة، حيث يكتسب الجسم الطاقة الحركية الدورانية من خلال الدوران حول المركز في هذه المسافة مع الأخذ في الاعتبار الزاوية هـ وهي الزاوية ما بين القوة والمسافة.

الأنواع المختلفة للحركة

حتى يتسنى فهم الحركة الدورانية بصورة كاملة وسليمة يجب التعرف في البداية على أنواع الحركة المختلفة لتميزها والإحاطة بأهم القوانين المنظمة لها، وأنواع الحركة الأساسية هي الآتي:

الحركة الدورانية

• تعريف الحركة الدورانية الأشمل هو الحركة التي يكتسبها الجسم من خلال القيام بالدوران حول مركز جسم معين حيث تؤثر عليه قوة معينة تحافظ على سرعة هذا الدوران.
• تعتبر من أبسط أنواع الحركة والتي تتيح التحرك بسرعة عالية و ثابتة للجسم من خلال قانون منظم لها يشتمل على حساب المسافة فيما بين الجسم والمركز والقوة المؤثرة فيه، هذا وتفيد هذه الحركة في تفسير عدد كبير من التطبيقات الحياتية والكونية والتي سوف نذكر عدد كبير من الأمثلة عليها خلال الفقرات القادمة.

الحركة التذبذبية

• هي ناتج حدوث تغيير مع فاصل زمني معين، حيث تقوم الحركة بتكرار نفسها بالتوافق مع الزمن الذي حدثت فيه، وللتوضيح نأخذ حركة عقارب الساعة كمثال على هذا النوع من الحركة، أو حركة بندول الساعة.
• تعتمد هذه الحركة على وجود نقطة اتزان، وهي النقطة التي يحدث بها التكرار في الحركة مع التزامن الوقتي لبدايتها.

الحركة الانتقالية

• نتيجة حدوث هذه الحركة في صورة خط مستقيم تعرف كذلك باسم الحركة الخطية، حيث تتم الحركة في اتجاه وبعد واحد مثل السهم الذي يشير إلى اتجاه معين وثابت.
• يرتبط بهذه الحركة علم يسمى علم الديناميكية الانتقالية وهو أحد علم الميكانيكا، ويستخدم فيه  الكثير من المعادلات والقوانين الخاصة بهذا النوع من الحركة.

اقرأ أيضاً: كيف احسب كتلة الجسم

من هو مكتشف الحركة الدورانية

يأتي الفضل في اكتشاف كافة قوانين الحركة الدورانية إلى العالم إسحاق نيوتن، فهو أول من أظهر المعادلات والقوانين الخاصة بمختلف أنواع الحركة التي كانت السبب الرئيسي في فهم وتفسير أغلب الظواهر الكونية الحادثة والتي لم يملك لها العلماء أي أسباب علمية قبل ذلك.

• هذا بالإضافة إلى قدرة هذه القوانين على المساعدة في توقع بتوقيت حدوث هذه الظواهر وتجنب التعرض للكثير من المشاكل والأضرار الناتجة عنها.
• أفادت قوانين نيوتن عن الحركة البشرية في تفسير حركة المقذوفات الكونية وطبيعة سير الكواكب وباقي الأجرام السماوية.

أمثلة للحركة الدورانية

يسهل التعرف على الحركة الدورانية من خلال القيام بضرب عدد من الأمثلة التوضيحية لها، حيث تتعدد صور هذه الحركة في مختلف التطبيقات اليومية حولنا والتي من ضمنها التالي:

• الحركة الدورانية في الأجسام الصلبة، هي نوع أكثر تعقيدًا من الحركة الخطية والتي تتم داخل أجسام ذات كتلة صلبة من الممكن أن تبدأ مع أسطوانة الفونوغراف.
• حركة الغازات داخل الشمس، تتشابه هنا حركة الدوران مع الحركة الخطية بشكل كبير نتيجة كون الشمس كرة هائلة من الغازات وليس المواد الصلبة.
• هذا بجانب مثال حركة مركز المروحة الهوائية في صورة دورانية، أما بالنسبة لحركة الأذرع الخاصة بها فهي حركة دائرية.
• يعد دوران الأرض حول مركزها أفضل مثال على حركة الدوران، ويتشابه معها حركة دوران الأفعوانية حول نفسها.
• إضافة إلى ما سبق دوران العجلة حول مركزها أو حركة السواقي بواسطة المياه، كلها أمثلة تطبيقية على حركة الدوران.
• أعظم الأمثلة المكتشفة حديثًا للحركة الدورانية هي حركة الإلكترونات حول نواة الذرة، وكذلك حركة كوكب الأرض وسائر الكواكب ودورانها حول الشمس.

اقرأ أيضاً: قانون القوة الدافعة الكهربائية

قوانين الحركة الثلاثة عند نيوتن

سبق التعرف على صاحب قوانين الحركة الثلاثة وهي العالم إسحاق نيوتن، وبقي لنا التعرف على ماهية هذه القوانين المعبرة عن الحركة الدورانية كل على حدا في التالي:

قانون نيوتن الأول

• المبدأ الأساسي لهذا القانون هو إثبات بقاء الجسم الساكن ساكنًا وبقاء الجسم المتحرك متحرك في حالة عدم وجود أي قوة خارجية تؤثر عليه.
• وفي حالة وجود قوة خارجية تؤثر على الجسم المتحرك فسوف يبدأ في الحركة ويتغير حاله من السكون إلى الحركة.
• وكذلك في حالة تأثر الجسم المتحرك بقوة خارجية تعمل على توقفه، فسوف ينتقل من حالة الحركة إلى السكون.

قانون نيوتن الثاني

• ينص هذا القانون على توضيح مقدار القوة المؤثرة على الجسم المتحرك أو الساكن لتغير من حالته، حيث لابد أن تساوي هذه القوم مقدار كتلة هذا الجسم مضروبة في مقدار سرعته وفقًا للمعادلة التالية: القوة= الكتلة في السرعة.
• اعتمادًا على هذا القانون أصبح هناك اختلاف بين سرعة وقوة أي جسم، وللحصول على مقدار هذه القوة لا بد من ضرب كتلة الجسم في كتلته.
• مثال على ذلك عند تعرض جسم بمقدار ثابت من القوة سوف يتم حدوث تغير في سرعته بمعدل ثابت أيضًا.
• أما في حالة كون الجسم في حالة يكون وأثرت عليه قوة خارجية فسوف يتسبب ذلك في حركة الجسم في اتجاه معين مساوي لمقدار هذه القوة.
• في حين يظهر تأثير هذه القوة على الجسم المتحرك في صورة زيادة في سرعته وتغيير في اتجاهه.

قانون نيوتن الثالث

• أشهر قوانين الحركة الدورانية على الإطلاق وهو لكل فعل رد فعل مساوي له فى المقدار ومضاد له فى الاتجاه.
• توضيح هذا القانون هو عند تأثير قوة خارجية على جسمين يحدث عن ذلك ظهور تأثير من كل منهما في شكل قوة متساوية ولكن مختلفة الاتجاهات.
• يظل مقدار هذه القوة ثابت ولكن في اتجاهات متضادة، حيث تلقى كل من الجسمين نفس التأثير الخارجي لذلك لايوجد رد فعل قوي وآخر ضعيف منهم.

اقرأ أيضاً: قانون السرعة المتوسطة قدرات

تطبيق على قوانين الحركة الثلاثة لنيوتن

سبق التحدث عن بعض أمثلة الحركة الدورانية في الظواهر الكونية المختلفة، وبعد التعرف على قوانين الحركة الثلاثة لنيوتن سوف نذكر عدد من التطبيقات العملية التي يمكن الاستفادة من هذه القوانين من خلالها ومنها الآتي:

• اصطدام مركبة بجسم ما أثناء حركتها، هو تطبيق مثالي لقانون نيوتن الأول حيث يتغير حال المركبة من وضع الحركة إلى وضع السكون، في حين يتغير حال الجسم من السكون إلى الحركة نتيجة تأثير قوة خارجية.
• كما يتضح قانون نيوتن الثاني للحركة عبر هذا المثال من خلال كون السيارة متحركة في خط مستقيم ومقدار سرعة ثابت طالما لا تؤثر عليها أي قوى خارجية، وفي حالة التصادم يتغير كل من مقدار سرعة السيارة واتجاها.
• ويتجلي قانون نيوتن الثالث من خلال هذا التطبيق في محاولة احتفاظ الركاب داخل هذه المركبة بحالة الحركة لديهم ولذلك عند حدوث الاصطدام يتجهون ناحية الأمام، وفي حالة كون المركبة في حالة سكون وعند بداية تحركها سوف يتجه الركاب إلى ناحية الخلف للاحتفاظ بحالة السكون لديهم.

وحدات قياس زاوية الدوران

يتوقف التعرف على وحدات قياس الحركة الدورانية على فهم عدد من المفاهيم الفيزيائية وما يرتبط بها من قوانين ومعادلات كما في التالي:

الإزاحة الزاوية

• هي مقدار التغيير الحادث في الزاوية عند قيام الجسم بالدوران، ويرمز لها بالرمزθ (سيتا)، ووحدة القياس الخاص بها الراديان rad.
• يجب ملاحظة الاتجاه الخاص بالدوران لهذه الزاوية في حالة كونه عكس دوران حركة عقارب الساعة فتكون بذلك زاوية الدوران موجبة، وفي حالة كونه عكس اتجاه حركة عقارب الساعة تصبح الزاوية سالبة.

العلاقة بين الإزاحة الزاوية والإزاحة الخطية

• يتم قياس الإزاحة الخطية والتي يرمز إليها بالرمز (d) بوحدة المتر m، والمعادلة الخاصة بها والتى تعتمد على الإزاحة الزاوية هي: d = r θ.

السرعة الزاوية المتجهة

• عند القيام بقسمة الإزاحة الزاوية على الزمن المطلوب الدوران الناتج عن هذه القسمة هو قيمة السرعة الزاوية المتجهة، والتي يرمز لها بالرمزω أو (أوميجا) .
• القانون الخاص بحساب قيمة هذه السرعة هو: Δθ\Δt = ω، بمعنى أن السرعة الزاوية المتجهة تساوي خارج قسمة التغيير الحادث في سيتا على التغيير الحادث في الزمن، ووحدة قياسها هي  rad\s (راديان على كل ثانية).

العلاقة بين السرعة الزاوية والسرعة الخطية

• أحد أهم المفاهيم الهامة لفهم الحركة الدورانية هي هذه العلاقة والتي يتم فيها قياس السرعة الخطية والتي يرمز لها بالرمز(v) وتقاس بوحدة بوحدة m\s، من خلال هذه المعادلة v=rω.
• حيث يساوي مقدار السرعة الخطية مقدار السرعة الزاوية مضروب في مقدار السرعة الزاوية المتجهة.

التسارع الزاوي

• يعبر عنه مقدار التغير في السرعة الزاوية المتجهة مقسوم على المدة الزمنية التي تم حدوث هذا التغيير بها.
• يرمز للتسارع الزاوي برمز α، والقانون الخاص له هو α= Δw\ Δt، ويقاس بوحدة rad\s2.
• حالة كون الجسم يدور بمعدل ثابت تكون بذلك سرعته الزاوية تساوي مقدار ثابت لأن التسارع الزاوي له يساوي صفر.
• هناك علاقة تربط ما بين التسارع الزاوي والتسارع الخطى يمكن التعبير عنها في القانون التالي: a = r، حيث يتم قياس التسارع الخطي بوحدة m\s2.
• ويدل الرمز a  في هذا القانون على مقدار التسارع الخطي والرمز r على مقدار نصف الدوران.

مثال توضيحي لحساب التسارع وزاوية الدوران

بعد العلم بكافة المفاهيم الرياضية المرتبطة بحساب الحركة الدورانية، سوف نقوم فيما يلي بإجراء تطبيق عملي على الخطوات المتبعة في إيجاد قيمة هذه الحركة:

• حالة الرغبة في قياس الزاوية الخاصة بالتسارع بدلًا من الموضع المطلوب خلال الحركة الدورانية، لابد من العلم بالطريقة التي تتغير بها هذه الزاوية مع تغيير حركة الأجسام من حولها.
• لذلك لابد من الأخذ في الاعتبار حساب كل من السرعة الزاوية (ω) والتسارع الزاوي (α).
• مثال على ذلك، تتحرك سيارة بسرعة 30 م/ ث، في حين تدور عجلاتها بمقدار 130 راد / ثانية.
• حيث يحتسب التسارع الزاوي بمقدار التغير السرعة الزاوية ووحدة قياسه هي rad / s2، لذلك مع كل زيادة في هذا المقدار يزداد دوران العجلات.
• كما ترتبط السرعة الزاوية والتسارع الزاوي مع العديد من المفاهيم الأخرى مثل طريقة اتصال المسافة القوسية والمحدد لها القوانين التالية:   vt = rω ، v = rα

أصبح الاطلاع على مفهوم الحركة الدورانية واحد من الأساليب العلمية الحديثة المتبعة في مختلف الدراسات والمناهج الدراسية منها والبحثية، وذلك نتيجة ارتباطها الوثيق بتفسير العديد من الظواهر الكونية والتطبيقات الحياتية.