كتاب الفيزياء الصف التاسع الفصل الثالث
آلة المشي البشرية
الربط ب علم الأحياء يمكن توضيح حركة الجسم البشري بالمبادئ نفسها المرتبطة بالقوة والشغل والتي تصف كل أنواع الحركة الآلات البسيطة على هيئة رافعات، تمنح البشر القدرة على السير والركض والقيام بالعديد من الأنشطة الأخرى. وتتميز أنظمة الرافعات في جسم الإنسان بالتعقيد، ومع ذلك، يحتوي كل نظام على الأجزاء الأربعة الرئيسة التالية
1 قضيب صلب العظم
2. مصدر قوة انقباض العضلات
3. نقطة ارتكاز أو محور دوار المفاصل المتحركة بين العظام
4. مقاومة وزن الجسم أو شيء يتم رفعه أو تحريكها
يوضح الشكل 17 هذه الأجزاء المكونة لنظام الرافعة في ساق بشرية
أنظمة الرفع في جسم الإنسان ليست عالية الكفاءة وفوائدها الميكانيكية قليلة، وهذا يفسر سبب حاجة المشي والعدو البطيء إلى طاقة حرق السعرات الحرارية) ويساعد الأشخاص على فقدان الوزن.
عندما يسير الشخص بعمل الورك كنقطة ارتكاز ويتحرك خلال قوس دائرة مركزها القدم. كما يتحرك مركز كتلة الجسم في صورة مقاومة حول نقطة الارتكاز في القوس نفسه، ويمثل طول نصف قطر الدائرة طول الرافعة المكونة من عظام الساق ويزيد الرياضيون في سباقات المشي من سرعتهم المنجهة عن طريق أرجحة الوركين نحو الأعلى لزيادة نصف القطر هذا
يتميز جسم الشخص طويل القامة بأنظمة رفع بها فائدة ميكانيكية أقل من الشخص القصير. فرغم أن طوال القامة يستطيعون المشي بسرعة أكبر من قصيري القامة، إلا أنه يجب عليهم تطبيق قوة أكبر لتحريك الرافعة الطويلة المكونة من عظام الساق لديهم كيف يكون أداء الشخص الطويل في سباق للمشي؟ ما العوامل التي تؤثر في أدائه؟
يكون طول سباقات المشي عادة km 20 أو km 50. ونظرا لعدم كفاءة أنظمة الرفع لديهم وطول مضمار سباق المشي، نادرا ما يكون لدى الأشخاص الطوال للغاية القدرة على الاحتمال لتحقيق الفوز
الأطراف الاصطناعية في الماضي، كان فقدان كلتا الساقين بدءا من الركبة يعني أن الشخص مبتور الساقين قد لا يتمكن من المشي مجددا، ناهيك عن الجري. ولكن مع ظهور الأطراف الاصطناعية الحديثة المخصصة للجري - سيقان اصطناعية ذات أنصال مقوسة مصنوعة من ألياف الكربون - يستطيع مبتور و السيقان المنافسة في مسابقات الجري الدولية
الشكل 1 صور تحويل الطاقة بالنسبة إلى الساق الطبيعية أقل كفاءة مقارنة بالساق الاصطناعية
الطاقة يستخدم العداؤون ذوو السيقان الطبيعية أفخاذهم وركبهم وعضلات الرملة والكواحل لامتصاص الطاقة عندما تصطدم كل قدم بالأرض وترتفع عنها. كما يوضح الشكل 1. مع الساق الاصطناعية يختزن بعض من الطاقة الحركية لتصل التأرجح عندما ينضغط عند اصطدامه بالأرض، يعمل النصل المنضغط كأنه زنبرك، حيث يعيد تحويل الطاقة المخزنة إلى طاقة حركية ويدفع العداء إلى الأمام مع كل خطوة بخطوها. كما يوضح الشكل 2
هل من الأسهل الجري باستخدام أطراف اصطناعية؟
يعتقد الكثير من العدائين أن الأطراف الاصطناعية قد تمنح مبتوري السيقان الذين يمكنهم ارتداء أجهزة تكنولوجية صممت بغرض تحسين أدائهم إلى الحد الأقصى، ميزة عن العدائين الأخرين ذوي السيقان الطبيعية، يختبر العلماء الأطراف الاصطناعية لتحديد كيف يمكن قياس أدائها مقارنة بالسيقان والأقدام الطبيعية ولكن عندما يتعلق الأمر بالجري، فإن للأطراف الاصطناعية عيوبها أيضا عند نقطة بدء السباق. يهدر العداؤون ذوو السيقان الاصطناعية وقتا أكثر للانطلاق في العدو مقارنة بالعدائين ذوي السيقان الطبيعية، علاوة على ذلك، يوجد دليل على أن العدائين ذوي السيقان الاصطناعية يعانون من عيب في إنتاج القوة، مما قد يقلل من سرعة ركضهم
درجة الحرارة، والحرارة، والطاقة الحرارية
هل شاهدت بالونا في الخارج في يوم بارد من قبل؟ ربما كان منكمش الحجم. ولكنه إذا أخذته إلى منزل دافئ سيعود إلى حجمه الطبيعي. لماذا تؤثر درجة الحرارة في حجم البالون؟
الطاقة الحرارية
لقد درست كيف تتصادم الأجسام، تكون كل مادة من جسيمات مجهرية للجسيمات العديدة فمثلا، الجسيمات التي يتكون منها غاز تمتلك طاقة حركية خطية ودورانية، قد يكون لتلك الجسيمات طاقة كامنة بسبب الروابط الداخلية وتفاعلاتها مع بعضها البعض، أثناء تصادم جسيمات الغاز مع بعضها البعض ومع جدران الوعاء تنتقل الطاقة. بما أن الغاز يتكون من العديد من الجسيمات فإنها تتسبب في العديد من التصادمات تنتقل بينها الطاقة بشكل عشوائي.
لذا، من الملائم مناقشة الطاقة الكلية للجسيمات التي يتكون منها الغاز ومتوسط الطاقة للجسيم الواحد في الغاز. تذكر أن مجموع طاقات الجسيمات هو الطاقة الحرارية للجسم هناك علاقة بين متوسط الطاقة الحركية للجسم الواحد ودرجة حرارة الغاز، تصف النظرية الحركية العلاقة بين الحركات العشوائية للجسيمات والخصائص الإجمالية للمادة
الأجسام الساخنة والأجسام الباردة
ما الذي يجعل جسمها ما ساخنا؟ انظر إلى بالون مملوء بالهيليوم. يحتفظ البالون بانتفاحه بفعل تصادمات ذرات الهيليوم المتكررة على جدرانه, تقوم كل ذرة من ذرات الهيليوم داخل البالون التي يبلغ عددها على وجه التقريب 1022 بالتصادم مع جدار البالون، وتعود مرة أخرى للخلف. ثم تصدم جدار البالون مرة أخرى في مكان آخر، يتأثر كل من حجم البالون ودرجة حرارته بمتوسط الطاقة الحركية لذرات الهيليوم كما هو موضح في الشكل 1
إذا وضعت بالونا يحوي غاز الهيليوم في ضوء الشمس، فإن الطاقة التي تأتي من ضوء الشمس تجعل جميع ذرات الهيليوم داخل البالون تتحرك في اتجاهات عشوائية وترتد عن جدران البالون بصورة أسرع بنسبه كل اصطدام مع الجدران في تسليط ضغط كبير على البالون مما يعمل على تمدد المطاط. وهكذا، يزداد حجم البالون الدافئ، من ناحية أخرى، إذا وضعت البالون داخل الثلاجة، فإن حجمه يقل، يحدث ذلك لأن الجسيمات تتحرك ببطء فقد تسبب التبريد في إنقاص طاقتها الحرارية
الطاقة الحرارية في المواد الصلبة إن الذرات أو الجسيمات داخل المواد الصلبة لديها طاقة حركية أيضا ولكنها لا تتحرك في جميع الاتجاهات كما تفعل ذرات الغاز، تتة طريقة لتوضيح بنية المواد الصلبة وهي تصور مجموعة من الذرات ترتبط فيما بينها بقوى تشبه النوابض. لا تتمكن الذرات من الحركة بحرية، ولكنها ترتد للخلف والأمام ويمكن أن تتحرك بعض تلك الذرات أكثر من الأخرى. كل ذرة تمتلك بعض الطاقة الحركية وبعض الطاقة الكامنة. إذا كانت مادة صلبة بها عدد ذرات N، فإن الطاقة الحرارية الكلية لهذه المادة الصلبة يساوي متوسط مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة للذرة مضروبا في N
الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة
الجسيمات التي تكون منها جسم ما لا تمتلك جميعها بالضرورة نفس الكمية من الطاقة، فهي تمتلك نطاقا واسعا من الطاقة، ومع ذلك، فإن متوسط الطاقة الحركية للجسيمات التي يتكون منها الجسم الساخن أكبر من متوسط الطافة الحركية للجسيمات التي يتكون منها الجسم البارد الاستيعاب هذا الأمر، أنظر إلى طول طلاب الصف التاسع وطلاب الصف الثاني عشر، يتباین طول الطلاب كما هو موضح في الشكل 2، ولكن يمكنك حساب متوسط الطول لطلاب كل صف، متوسط الطول لطلاب الصف الثاني عشر أكبر من متوسط طول طلاب الصف التاسع، حتى وإن كان بعض طلاب الصف التاسع أطول من بعض طلاب الصف الثاني عشر.
تعنمد درجة الحرارة فقط على متوسط الطاقة الحركية للجسيمات في الجسم فهي لا تعتمد على عدد الجسيمات التي يتكون منها الجسم على سبيل المثال، انظر إلى الكعكتين الموضحتين في الشكل 3 توجد الكعكتان في درجة الحرارة نفسها إلا أن الكعكة الكبيرة بها عشرة أضعاف جسيمات الكعكة الصغيرة هذا يعني أن الكيكة كبيرة الحجم تمتلك عشرة أمثال الطاقة الحرارية للكعكة صغيرة الحجم. تعتمد الطاقة الحرارية الجسم ما على كل من درجة الحرارة وعدد الجسيمات التي يتكون منها الجسم.