تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك

تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك هي إحدى التجارب التي قام بها الباحثون لاختبار قانون هوك، الذي يصف العلاقة بين القوة والانحراف في المواد المرنة، حيث تهدف التجربة إلى فهم كيفية استجابة النابض الحلزوني للقوى المختلفة وتحديد مدى توافق سلوكه مع التوقعات النظرية، ومن ثم يتم استخدامها في العديد من المجالات والتطبيقات الهامة.

وخلال السطور التالية من هذا التقرير سنتعرف بالتفصيل على تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك، وما هو تعريف قانون هوك؟، وخطوات تجربة النابض الحلزوني باستخدام قانون هوك، وماذا نستنتج من هذه التجربة؟، وأمثلة على استخدام تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك في التطبيقات والمجالات المختلفة.

تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك

في عالم الفيزياء هناك العديد من القوانين التي توصل إليها العلماء في الأزمنة الماضية ولايزال يتم تطبيقها في العديد من المجالات الهامة، ومن بينها قانون هوك، ولاختبار هذا القانون قام الباحثون بالعديد من التجارب العلمية ومنها تجربة النابض الحلزوني، وهي تجربة فيزيائية بسيطة لكنها غنية بالمعلومات، إذ يمكن من خلالها دراسة قانون هوك وتحديد ثابت النابض، وفيما يلي نوضح ما هي تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك:

تعريف قانون هوك:

بداية حتى نشرح تجربة النابض الحلزوني يجب أولًا أن نعرف ما هو قانون هوك، وهو قانون فيزيائي اكتشفه العالم روبرت هوك عام 1660 م، واستطاع من خلال هذا القانون وصف العلاقة بين القوة المطبقة على نابض والتشوه الناتج عنه وبمعنى آخر، فهو يصف العلاقة بين القوة والانحراف في المواد المرنة.

وينص قانون هوك والذي يُعرف أيضًا بقانون المرونة، على أن الإزاحة أو حجم التشوه الذي يتغير بمقداره الجسم يتناسب طرديًا مع قوة التشوه أو الحمل، وعليه بمجرد إزالة الحمل أو القوة عن الجسم فإنه يعود إلى شكله وحجمه الأصليين، وبناء عليه يُوضح قانون هوك السلوك المرن للمواد الصلبة، حيث تتناسب الإزاحة القليلة التي تتعرض لها جزئيات المادة أو ذراتها تناسب طرديًا مع قوة الإزاحة المؤثرة عليها.

ويستخدم قانون هوك لقياس مقدار مرونة النوابض، بحيث يربط بين مقدار القوة ومقدار المسافة التي يُزاح بها النابض، ويُعبر القانون عن هذه العلاقة بالمعادلة التالية: f=kx، حيث إن f هي القوة المطبقة على النابض (بوحدة نيوتن)، وk هو ثابت النابض (بوحدة نيوتن/ متر)، وx هو التشوه الناتج عن القوة (بوحدة متر).

أما النابض فيمكن تعريفه بأنه عنصر مرن يبذل قوة مقاومة عندما يتغير شكله، ومعظم النوابض من العناصر الميكانيكية الأساسية والتي تشكل أساسًا لعدة أنظمة ميكانيكية، وأغلب النوابض تخضع لقانون هوك الذي يدخل في العديد من التطبيقات العملية المستخدمة كألعاب الأطفال والموازين وغيرها من المجالات التي سنذكرها في نهاية هذا المقال.

تعريف تجربة النابض الحلزوني:

وفيما يتعلق بتجربة النابض الحلزوني، فهي تجربة فيزيائية تهدف إلى دراسة قانون هوك وتحديد ثابض النابض، بغرض دراسة العلاقة بين القوة والانحراف في النابض الحلزوني، وتحديد قيمة ثابت النابض k للنابض الحلزوني، وهو ما يساعد على فهم قانون هوك وتطبيقاته.

وتتمثل أهمية تطبيق تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك في دراسة وفهم سلوك المواد تحت تأثير القوى المختلفة وتحديد مدى مرونتها، وتطبيق ذلك في العديد من المجالات منها المجالات الهندسية وتصميم النظم الميكانيكية والهياكل وغيرها من التطبيقات الأخرى.

ويتم تطبيق تجربة النابض الحلزوني عن طريق تطبيق أحمال متزايدة وقياس الاستطالات المقابلة، ثم إيجاد ثابت القوة من المنحنى العلائقي بين القوة والاستطالة، وفيما يلي شرح لخطوات تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك:

خطوات تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك:

كما أوضحنا سابقًا فإن قانون هوك ينص على أن القوة التي يؤثر بها نابض على جسم ما تتناسب مع مقدار انحراف النابض عن موضع توازنه، وحتى نتعرف على تجربة النابض الحلزوني باستخدام قانون هوك يتم تطبيق الخطوات الآتية:

الأجهزة المستخدمة:

• نابض حلزوني مثبت أحد طرفيه في حامل ويتدلى من الطرف الآخر إلى أسفل ومثبت في نهايته.
• مؤشر لقراءة تدريج المسطرة المثبتة على الحامل بجوار النابض.
• أثقال .
• حامل أثقال.
• ساعة توقيت.
• حامل مع ماسك.
• مسطرة مترية أو شريط
• قياس.

نظرية التجربة:

تقوم نظرية التجربة على الآتي: عند وضع أثقال صغيرة بصورة تدريجية في الكفة المعلقة في نهاية النابض، بحيث يعود النابض إلى وضعه الطبيعي عند رفعها، يستطيل النابض الحلزوني بمقدار يتناسب مع الأثقال المضافة وفق قانون هوك، أي أن الاستطالة التي تحدثها قوة في النابض تتناسب مع مقدار تلك القوة، أي أن الإجهاد يتناسب طرديًا مع المطاوعة ضمن حدود المرونة لقانون هوك، ويُعرف الإجهاد على أنه النسبة بين القوة العمودية المؤثرة على مساحة المقطع العرضي للجسم.

الخطوات:

• اختر نابضًا حلزونيًا مناسبًا للتحربة.
• ثبت النابض في وضع رأسي على حامل أو قاعدة ثابتة.
• يتم تعليق نابض حلزوني من طرفه العلوي.
• يتم قياس الطول الأصلي للنابض بدقة.
• قم بتطبيق قوى مختلفة على النابض عن طريق إضافة أوزان مختلفة إلى الطرف السفلي للنابض.</li>
• يتم قياس مقدار الانحراف الناتج عن كل وزن.
• قم بقياس القوة المطبقة f  والتشوه الناتج x لكل قوة مطبقة.
• قم بتسجيل البيانات في حدول يحتوي على القوة المطبقة والتشوه الناتج.
• <li>قم بتحليل البيانات عن طريق رسم منحنى بياني يوضح العلاقة بين القوة والانحراف، أي القوة المطبقة ومقابل التشوه الناتج.
• إذا كان الناتج يتبع قانون هوك يجب أن يكون المنحنى البياني خطًا مستقيمًا.

نتائج التجربة:

إذا كانت نتائج التجربة ناجحة، يجب أن تظهر النتائج التالية:

• علاقة خطية بين القوة المطبقة f والتشوه الناتج x.
• قيمة ثابت النابض k يمكن تحديدها من ميل المنحنى البياني.
• تظهر النتائج أن القوة تتناسب طرديًا مع الانحراف وهو ما يتفق مع قانون هوك.

تطبيقات قانون هوك :

لقد أشارنا خلال شرح تجربة النابض الحلزوني وقانون هوك إلى أن هذه التجربة والقانون نفسه لهما أهمية كبيرة، حيث تم الاستعانة بهم في العديد من التطبيقات والمجالات الهندسية والفيزيائية والأبحاث العلمية، ومن أهم المجالات التي يُستخدم فيها قانون هوك والنابض الحلزوني ما يلي:

• تصميم النظم الميكانيكية والهياكل، مثل السيارات والطائرات والآلات الصناعية، على سبيل المثال يتم استخدام النابض في نظام التعليق في السيارات لامتصاص الصدمات وتحسين الراحة أثناء القيادة.
• كذلك يتم استخدام النابض في الصناعة، على سبيل المثال في آلات التعبئة والتغليف لتحقيق حركة دقيقة ومتحكم بها.
• تصميم الأجهزة الطبية والصناعية التي تعتمد على النابض، مثل الأجهزة التي يتم استخدامها في علاج مشاكل العظام والعضلات.
• استخدام النابض في أجهزة تقويم الأسنان لتحريك الأسنان إلى وضعها الصحيح.
• استخدام قانون هوك في تصميم المعدات الرياضية، مثل النوابض المستخدمة في التمارين الرياضية، مثال استخدام النابض في أجهزة التمرين الرياضي لتحسين القوة والمرونة.
• يتم استخدام قانون هوك في تصميم أنظمة الأمان في المصاعد.
• يمكن استخدام قانون هوك في تصميم الجسور والهياكل الإنشائية، والجسور المعلقة لتحمل الأحمال الثقيلة.
• يتم استخدامه في تطوير العديد من التخصصات مثل علم الزلازل والميكانيكا الجزيئية والصوتيات.
• استخدام النابض ليساعد على امتصاص الصدمات في حالة حدوث خلل في نظام الكبح.
• استخدام قانون هوك في تصميم الأثاث مثل الكراسي والأسرة، حيث يساعد النابض على توفير الراحة والدعم للجسم.
• يتم استخدامه في ألعاب الأطفال، مثل لعبة البندقية، حيث تعمل نتيجة الارتداد الحاصل في النابض الموجود داخلها.

اقرأ أيضًا : تجربة عجلة ماكسويل واهم النظريات التى سبقتها