ملخص:
تدرس هذه المحاضرة الأجسام المستمرة في الفيزياء. تبدأ بالأجسام النقطية لكنها تُظهر كيف يشرح الميكانيكا النيوتونية أن الأجسام المكونة من العديد من الجسيمات يمكن أن تحاكي استمرارية الطبيعة. تستعرض قوانين نيوتن لفهم الحركة وأسبابها في الجسيمات. تُبرز أن الأجسام المتجمعة تكتسب خصائص فريدة وتُصنَّف إلى صلبة وسائلة وغازية بناءً على رد فعلها تجاه القوى الخارجية.

أهداف التعلم:
بعد إتمام هذه المحاضرة، سيكون الطالب قادراً على:

1. فهم كيف يمكن للحالات المحتملة للحركة النسبية بين نقاط المادة أن تعيد إنتاج حالات المادة.
2. التعرف على الخصائص الجديدة التي تظهر عند تجميع الجسيمات في مجموعة.
3. فهم الصلة بين ميكانيكا الجسيمات وميكانيكا الأوساط المستمرة.

فهرس المحتويات:
الأجسام المستمرة في الفيزياء
كيف يمكننا فهم الأجسام المستمرة في الفيزياء؟
فيزياء المستمر

الأجسام المستمرة في الفيزياء

في الفيزياء، نبدأ غالبًا بدراسة الأجسام النقطية والمثالية قبل الانتقال إلى الأنظمة الأكثر تعقيدًا وواقعية. على الرغم من أن الطبيعة لا تُظهِر أجسامًا نقطية، إلا أن هذا النهج منطقي لأنه يسمح بمعالجة المفاهيم بشكل أكثر بساطة وفهمًا. على سبيل المثال، تم تطوير الميكانيكا النيوتونية قبل فيزياء المستمر، لذا من المهم أن نكون على دراية بقوانينها لفهم كيف يمكن للأجسام المستمرة، المكونة من عدد كبير من الجسيمات الصغيرة، أن “تحاكي” الاستمرارية التي نلاحظها في الطبيعة.

تذكير بقوانين نيوتن

تدرس الفيزياء الظواهر التي تتغير في الطبيعة، لأنه بدون تغيير لا يمكن إدراك أي شيء. لذلك، من المهم تذكُّر المفاهيم الأساسية في الميكانيكا النيوتونية، التي تسمح لنا بفهم حركة الجسيمات وأسبابها، وكذلك الموقع، الزخم وتغيراتهما.

الموقع والزخم هما خصائص للمادة، ويشير كل منهما إلى موقع وحركة جسم في الفضاء. جميع الأجسام ذات الكتلة لها موقع وحالة حركة.

لنتذكر قوانين نيوتن الثلاثة.

• القانون الأول: قانون القصور الذاتي:
  في غياب تأثير خارجي، يحتفظ كل جسم بحالة حركته.
• القانون الثاني: قانون القوة والكتل:
  إذا تغيرت حالة حركة الجسم، فسيكون ذلك بسبب تأثير قوة، وهذه القوة تعادل تغير حالة الحركة مع مرور الوقت.

  \displaystyle\vec{F}= \frac{d\vec{p}}{dt}

• القانون الثالث: قانون الفعل ورد الفعل:
  لكل قوة “فعل” توجد قوة “رد فعل” أخرى، متساوية في المقدار ومعاكسة في الاتجاه.

كيف يمكننا فهم الأجسام المستمرة في الفيزياء؟

الجسم المستمر هو تجمع للأجسام النقطية؛ فرع شجرة أو الدم في جسمنا يتكون من جسيمات صغيرة جدًا وكثيرة لدرجة أنه، عند وضعها معًا، تبدو كـ”استمرارية”.

الأجسام التي تتكون من مجموعة تكتسب صفات لا تمتلكها أجزاؤها بشكل فردي.

• موقع كل جسيم بالنسبة للآخرين ينتج شكل الجسم.
• حالة حركة الجسم بأكمله ترجع إلى حالة الحركة الجماعية لجميع الجسيمات ككل.
• وإمكانيات الحركة النسبية بين نقاط المادة تنتج حالات المادة.

كل هذه الأشياء معرضة للتغيير. وبالتالي، بناءً على هذه الخصائص الفيزيائية، يمكننا تصنيف الأجسام وفقًا لكيفية تغييرها استجابةً لتأثير قوة خارجية.

أنواع الأجسام المستمرة في الفيزياء

تصنف الأجسام المستمرة على النحو التالي:

تلك التي تميل فيها المواضع النسبية بين جسيماتها إلى البقاء ثابتة في غياب القوى الخارجية.

من ناحية، في الصلبة، تميل المواضع النسبية بين الجسيمات المكونة لها إلى البقاء ثابتة، إلا إذا تم تطبيق قوة خارجية. تنتمي إلى هذه الفئة الأجسام المصنوعة من الفولاذ أو الخشب أو العظام أو المطاط. يتم الحفاظ على المواضع النسبية بين الجسيمات بواسطة نوعين من القوى: من ناحية، لدينا قوى الاستعادة، التي تعارض أي قوة تحاول نقل الجسيمات من مواضعها النسبية، وقوى التبديد، التي تطلق الطاقة التي تدخلها بفعل القوة الخارجية حتى تختفي. قوى الاستعادة هي المسؤولة عن اهتزاز الزنبرك بعد أن يتعرض للاضطراب، بينما قوى التبديد هي المسؤولة عن تسخين قضيب الحديد عند ثنيه.

وعلى العكس من ذلك، تلك التي تتغير فيها المواضع النسبية بين جسيماتها حتى في غياب القوى الخارجية.

على النقيض من ذلك، في السوائل، تتغير المواضع النسبية بين الجسيمات حتى لو لم تُمارس أي قوى خارجية وحتى عندما يحتفظ الجسم بشكله. الهواء المحبوس في زجاجة أو الماء في دلو ينتميان إلى هذه الطبيعة. قوى الاستعادة التي تحافظ على كل جزء في مكانه تكاد تكون غير موجودة، وقوى التبديد هي المسؤولة عن ظاهرة اللزوجة.

يتم تصنيفها إلى نوعين:

الأجسام السائلة:

توجد قوى داخلية قوية بما يكفي للحفاظ على المسافة النسبية المتوسطة، وليس الموضع، بين الجسيمات، مما يجعل المادة بشكل جماعي تميل إلى الحفاظ على حجم ثابت.

الأجسام الغازية:

في غياب القيود، لا تمتلك حجمًا ثابتًا. تتحرك الجسيمات بحرية في المساحة المتاحة. عندما تكون محتواة في وعاء، يمثل كل نقطة في الداخل موقعًا محتملاً لجسيمات الغاز.

الفرق الرئيسي بين الصلبة والسوائل هو أن الصلبة تميل إلى الحفاظ على شكلها بينما السوائل لا. عندما يغير الصلب شكله، إما أن يحاول العودة إلى شكله الأصلي أو يسخن (واحد على الأقل من الاثنين)، وحتى يمكن أن ينكسر؛ بينما السوائل، على النقيض من ذلك، تقدم مقاومة قليلة لحركة جسيماتها، وتتكيف مع الوعاء الذي تحتويه.

فيزياء المستمر

هذه العلم يهتم بدراسة الأجسام المستمرة في بعض الحالات التي وصفناها للتو وخصائصها الفيزيائية؛ ولكن كما رأينا، يُفترض أن عدد وحجم الجسيمات التي تتكون منها الجسم كافيان لجعله يتصرف كجسم مستمر. في هذه العلم، على الرغم من الحديث عن “القوى بين الجسيمات”، إلا أن طبيعتها، سواء كانت كهرومغناطيسية، ذات أصل كمي أو تصادمات بسيطة، ليست مفصلة؛ بدلاً من ذلك، هو تحليل جماعي. التحليل المفصل لمثل هذه الحالات، حيث يتم النظر في أنواع القوى بين الجسيمات، هو أكثر ما ينتمي إلى الميكانيكا الإحصائية. من هذه العلم، تنشأ علوم أخرى وفقًا لنوع الجسم المدروس والتركيز المعطى لهذا الدراسة.

• فيزياء المستمر
  • ميكانيكا الصلبة
    يدرس سلوك المواد الصلبة تحت أنواع مختلفة من الإجهادات التشوهية.
  • ميكانيكا السوائل
    • الديناميكا المائية: يدرس سلوك السوائل
    • الهوائية: يدرس سلوك الغازات