وحدة قياس شدة القوة

كيف يتم قياس شدة القوة؟

تُعرَف القوة (Force) في علم الفيزياء بأنها أي فعل من شأنه التأثير على حركة جسم ما، سواًء بالتغيير من سرعة حركته أو اتجاهها أو كليهما معًا، وتُعتبر القوة من الكميَّات المُتَّجهة في الفيزياء، أي أنها تُمثَّل بمقدار واتجاه، وتقاس شدة القوة حسب نظام الوحدات العالمي (SI Units) بوحدة النيوتن (Newton) ويرمز لها بالرمز (N)، ويُعرف النيوتن الواحد بمقدار القوة اللازمة لإكساب جسم كتلته كيلوغرام واحد تسارعًا مقداره 1متر/ثانية²، كما توجد وحدات أُخرى لقياس شدة القوة غير مُستخدمة في النظام العالمي كالباوند (Pound) المستخدم في النظام الإنجليزي،^[١] والداين (Dyne).^[٢]

تُعتبر القوة كمية فيزيائيَّة مُتَّجهة، وتُعَبِّر عن أي تأثير يتعرض له جسٌم ما فيغير من حركته واتجاهها، وتُقاس حسب نظام الوحدات العالمي بالنيوتن ويرمز لها بالرمز (N).

كيف يمكن اشتقاق وحدة شدة القوة؟

سُميت وحدة قياس شدَّة القوة بالنيوتن (Newton) نسبًة لعالم الرياضيات والفيزيائي البريطاني إسحق نيوتن (Isaac Newton)،^[٣] وذلك لأن مبدأ القوة وشدتها تم تفسيرُه اعتمادًا على القوانين التي وضعها للحركة، وهي ثلاثة قوانين شهيرة سُميت بقوانين نيوتن الثلاثة للحركة (Newton's Three Laws of Motion)، ويَذكُر قانون نيوتن الثاني في الحركة أنه إذا أثَّرت قوة على جسٍم ما فإنه يكتَسب تسارعًا يتناسب طرديًا مع مقدار هذه القوة، وعكسيًا مع كتلة الجسم،^[١] ويمكن تحويل هذا القانون بصيغة رياضيَّة كما يلي:^[٤]

شدة القوة = الكتلة × التَّسارُع

نيوتن = كيلوغرام × متر/ثانية²

نيوتن = كغ.م/ث²

(Force(F) = mass(m) × acceleration(a

Newton = kg × m/s²

N = kg.m/s²

• الكتلة (mass): كتلة الجسم، وتُقاس حسب نظام الوحدات بالكيلوغرام (Kg).
• التسارع (acceleration): تسارع الجسم، ويُقاس حسب نظام الوحدات بالمتر/ثانية² (m/s²).
• شدة القوة (Force): القوة المؤثرة على الجسم، وتُقاس حسب نظام الوحدات بالنيوتن (N).

من خلال المعادلة الرياضية السابقة نجد أن وحدة النيوتن تساوي كيلوغرام.متر/ثانية²، ويعبر عنها بالرموز (kg.m/s²).^[٤]

نستطيع اشتقاق وحدة شدة القوة من خلال الصيغة الرياضية لقانون نيوتن الثاني في الحركة (F=m*a)، حيث أن وحدة النيوتن تساوي كيلوغرام.متر/ثانية² (kg.m/s²).

ما هي الأجهزة المستخدمة لقياس القوة؟

اختُرعت العديد من الأجهزة والأدوات التي يُمكن من خلالها قياس شدَّة القوة، ونذكُر تاليًا أهم هذه الأجهزة:

المقياس الزُنبركي (Spring Balance)

هو جهاز يُستخدم عادًة لقياس قوَّة الوزن، اخترعه الفيزيائي البريطاني روبرت هوك (Robert Hooke)،^[٥] ويتكون من إطار يتدلَّى منه زنبرك ينتهي بخطَّاف لتعليق الحِمْل، كما يوجد تدريج لتوضيح مقدار الوزن، ويتناسب مقدار القوة التي يقيسها طرديًا مع مقدار تمدُّدْ الزنبرك، فعند وضع حِمل على الخطاف سيتمدَّد الزنبرك ليصل التدريج لقراءة مُحدَّدة تمثل شدة الوزن، ويعتبر هذا النوع شائع جدًا في المحال التجارية أو المنازل كونه بسيط التركيب.^[٦]

مقياس الضغط (Strain Gauge)

هو عبارة عن جهاز كهربائي يُستخدم عادًة في قياس قوة الضغط، من خلال حسَّاس (Transducer) يقوم بتحويل مقدار القوة الميكانيكيَّة إلى تغير في المقاومة الكهربائية، تم اختراعُه من قبل المهندسين الأمريكيين إدوارد سيمونز (Edward Simmons) وآرثر روج (Arthur Ruge) عام 1938م، ويتكون بشكل أساسي من أسلاك على شكل رقاقات مُلتَصقة بصفيحة عازلة، وعند التأثير بمقدار قوة معينة على هذه الأسلاك تتغير مقاومتها تبعًا لمقدار القوَّة أو الضغط المؤثر، ونستطيع حسابه بمعرفة مقدار التغير في مقاومة السلك، وتم ذلك عمليًا باستخدام مقياس الضَّغط كجُزء من الدائرة الكهربائية جسر ويتستون (Wheatstone Bridge) المستخدمة في حساب التغيُّر في مقاومة ما.^[٧]

الديناموميتر (Dynamometer)

هو جهاز يُستخدم في قياس شدة القوة، كما يمكن استخدامه لقياس العزم وهو القوة الدورانيَّة، اخترعه لأول مرة صانع الساعات والجيوفيزيائي البريطاني جورج غراهام (George Graham)،^[٨] حيث اخترعه عام 1763م وكان يعمل بشكٍل ميكانيكي آنذاك، وهو شبيه بالمقياس الزنبركي، لكن ما يميزه أنه لا يحتاج إلى مُعايرة قبل الاستخدام، وتم تطويره فيما بعد ليعمل بشكل كهربائي، فيتم وصله على شكل حمل مُتغير مع المُحركات الكهربائيَّة لحساب مقدار عزمها.^[٩]

توجد العديد من الأجهزة التي يمكن استخدامها لقياس شدة القوة، مثل المقياس الزنبركي المُستخدم في قياس الوزن، المَجسَّات الكهربائية، والديناموميتر المُستخدم في قياس عَزم المُحركات.

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "Force", Britannica, Retrieved 15/1/2021.
2. ↑ "Which is not the non-SI unit of force ", Toppr, Retrieved 15/1/2021.
3. ↑ "Isaac Newton", Britannica, Retrieved 15/1/2021.
4. ^ ^{أ ب} Kevin Beck ,Lana Bandoim (1/2/2020), "How to calculate force", Sciencing, Retrieved 16/1/2021.
5. ↑ "Name the scientist who invented the spring balance", Toppr, Retrieved 15/1/2021.
6. ↑ "Spring balance", Britannica, Retrieved 15/1/2021.
7. ↑ "ABOUT STRAIN GAGES", Western Regional Strain Gauge Committee, Retrieved 20/1/2021.
8. ↑ "Dynamometers", Dynamometers, Retrieved 16/1/2021.
9. ↑ Chris Woodford (27/1/2020), "Dynamometers", Explain That Stuff, Retrieved 15/1/2021.