تتميز القوة ( force ) بأن لديها اتجاه ومقدار ولذلك تكون القوة كمية فيزيائية ، ويتم تعريفها على أنها المصدر الخارجي الذي يقوم بتغيير حالة الأجسام فيجعلها متحركة ، وقد يكون التغيير في قيمة طاقة الوضع للجسم أو طاقة الحركة ، أو يكون التغيير في اتجاه الجسم فقط ، أو يكون التغيير في الطاقة والاتجاه كلاهما ، ولذلك يتم التعبير عن القوة باعتبارها المعدل الذي يتغير به زخم الحركة بالنسبة لوحدة الزمن ، وقد جاءت إسهامات العديد من العلماء لتوضيح وفهم العديد من مفاهيم القوى ، وعلى رأسهم العالم أرخميدس وإسحق نيوتن ، ومن أهم أنواع القوى الموجودة في الطبيعة والتي اجتهد الكثير من العلماء في دراستها هي القوة الطاردة المركزية .
القوة الطاردة المركزية
هي قوة وهمية وليست حقيقة تؤثر على الأجسام التي تتحرك في مسار دائري ، وتنشأ نتيجة لرد الفعل المقابل لقوة الجاذبية الأرضية التي يطلق عليها قوة الجذب المركزية ، وتسمى القوة الطاردة المركزية أيضا باسم القوة النابذة وباللغة الإنجليزية يطلق عليها ( Centrifugal Force ) ، ويتم حساب القوة الطاردة المركزية بالرجوع إلى قانون نيوتن الثاني ، والذي مفاده أن الجسم يكتسب تسارعا عندما تؤثر عليه قوة ما أو مجموعة من القوى ، وهذا التسارع الذي يكتسبه يكون ذو تناسب طردي مع مقدار محصلة القوى التي أثرت على الجسم ، كما يكون هذا التسارع ذو تناسب عكسي مع كتلة الجسم .
مكتشف القوة الطاردة المركزية
قام عالم الفيزياء الشهير اسحاق نيوتن باكتشاف القوة الطاردة المركزية الوهمية عام 1666 م ، وقد جاء هذا بعد اكتشافه للجاذبية الأرضية حسب القصة الشهيرة ، عندما سقطت التفاحة وأخذ نيوتن يفكر في سبب سقوطها للأسفل وأنها لم ترتفع إلى الأعلى ، والذي فسره بوجود قوة الجاذبية الأرضية التي تجذب جميع الأجسام للأسفل ، ولم يقتصر تفكيره على ذلك وإنما ظل يتساءل حول الأجسام الأكبر مثل الكواكب ، حيث أخذ يتساءل عن دوران الكواكب وكيف أنها لا تصطدم بالشمس ، وقال أن هناك قوة جذب تجذب الكواكب نحو الشمس ، وفي نفس الوقت فإن هناك قوة تبقي هذه الكواكب على مسافات مختلفة ثابتة من الشمس دون أن تصطدم بها ، وفسر نيوتن ذلك بوجود قوة أخرى عكسية تقاوم قوة الجذب المركزية ، وهو ما أطلق عليه اسم ( القوة الطاردة المركزية ) والتي تعمل على طرد الأجسام بعيدا ، وتعاكس قوة الجذب المركزية في كل من الاتجاه والمقدار .
قانون القوة الطاردة المركزية
يخضع حساب القوة الطاردة المركزية إلى القانون الفيزيائي التالي :
( Fc = −mv^2/r ) ، حيث تعبر Fc عن القوة الطاردة المركزية ، بينما يشير الرمز m إلى كتلة الجسم ، والرمز v إلى مقدار السرعة التي يدور بها الجسم ، أما الرمز r فهو يمثل نصف قطر الدائرة حيث أن هذه الدائرة تعبر عن المسافة بين الجسم وقوة الجذب المركزية ، ومن خلال هذا القانون يمكن الوصول إلى نتيجة وهي أن هناك العديد من العوامل المؤثرة في القوة الطاردة المركزية ، والتي تتمثل في الكتلة والمسافة بين الجسم ومركز قوة الجذب ، بالإضافة إلى مقدار سرعة دوران الجسم . [1]
تطبيقات قوة الطرد المركزي في حياتنا اليومية
يوجد العديد من الأمثلة والتطبيقات على القوة الطاردة المركزية :
أرجوجة الأطفال ، حيث تدور الأرجوحة حول محورها الأفقي بتأثير قوة الطرد المركزية .
مجفف الملابس في الغسالات الكهربية ، حيث يتم تجفيف الملابس في الغسالة من وعاء أسطواني ذي جدران مثقبة ، فعندما تدور الأسطوانة بسرعة ، تعمل قوة الطرد المركزي على الملابس الرطبة ، حيث تقوم قوة الطرد المركزي هذه بإخراج المياه عبر الثقوب وبالتالي تجفيف الأقمشة المبللة بسرعة .
انحراف الركاب بالسيارة عندما تنحرف السيارة فجأة نحو اليسار ، فإن الركاب في السيارة سيتعرضون للضغط الخارجي إلى اليمين ، هذا بسبب قوة الطرد المركزي التي تعمل على الركاب .
دلو مملوء بالماء يدور ولا تسقط محتوياته عندما يتم تدوير دلو مملوء بالماء في دائرة رأسية بسرعة معينة ، لا يسقط الماء ، ذلك لأن وزن الماء يتم موازنته بواسطة قوة الطرد المركزي التي تعمل عليه .
اتساع الأرض عند خط الاستواء واستوائها عند القطبين يرجع إلى قوة الطرد المركزي التي تعمل عليها .[2]
تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الرياضة
من قانون نيوتن الخاص بالقصور الذاتي ، سنجد أن الأجسام ستستمر في التحرك في مسار مستقيم ما لم يتم إجبارها بالقوة على فعل غير ذلك ، وبالتالي عندما يدور رياضي بمطرقة في ألعاب القوى ، يجب عليه استخدام القوة للحفاظ على الحركة في مسار دائري قريب .
كما تنطبق أيضًا على الانحناء حيث يجد الرياضيون صعوبة أكبر في الركض بسرعة قصوى في ممر منحني من الطرق المستقيمة .[3]
تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الطب
يعود استخدام أجهزة الطرد المركزي إلى أوائل القرن الثالث عشر عندما تم استخدامها لفصل الكريمة عن الحليب ، وكان وقتها التشغيل يتم يدويًا وكانت سرعات الدوران منخفضة ، ولكن في وقت لاحق تم إضافة المحركات الكهربائية ، واستخدمت القوة الطاردة المركزية في العديد من الاستخدامات .
وقد حصل ثيودور سفيدبرغ على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1926 لقيامه بالبحث عن البروتينات باستخدام قوة الطرد المركزي عالية السرعة ، فقد استطاع بقوة الطرد المركزي الفائقة تحديد الوزن الجزيئي وهيكل الوحدة الفرعية للعديد من البروتينات المعقدة كـ الهيموجلوبين على وجه الخصوص ، وقد تم تسمية وحدات الترسيب ذات الكفاءة الفعالة Svedberg (S) نسبة له ولجهوده . [4]
كيف يتم فصل المكونات عن بعضها باستخدام قوة الطرد المركزي
الدوران يسبب قوة عمودية على محور الدوران ، وتعمل قوة الطرد المركزي على وسائط العينة مما يؤدي إلى تسارع الأجسام ذات الكثافات المختلفة بمعدلات مختلفة ، مما يؤدي إلى الفصل والربط بين المواد ذات الكثافة المختلفة ، مع وجود المواد الأقل كثافة بالقرب من مركز الدوران .
تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الطاقة النووية
عملية استخلاص أحد نظائر اليوارنيوم التي يتم الاعتماد عليها في المفاعلات النووية ، عملية الفصل هذه تعتمد على نظرية القوة الطاردة المركزية ، حيث يتم فصل اليورانيوم 235 عن U-238 الأكثر شيوعًا ، رغم أنا الاختلاف بسيط بينهم بـ3 نيوترونات فقط ، ولكنها خطوة كبيرة في إنتاج المواد الانشطارية .
حيث يتم استخدام غاز يسمى فلوريد اليورانيوم السداسي وتتم عملية الفصل بسرعة دوران كبيرة جدا يمكن أن تتعدى 70 ألف لفة في الدقيقة ، ونظرا لانخفاض وزن هذا النظير عن غيره فإنه يصعد مع الدوران حيث يتم استخلاصه بتقنيات الشفط ، وبسبب الصعوبة تكون معدلات الإنتاج منخفضة ، وتتطلب العديد من أجهزة الطرد المركزي لتوفير مواد المفاعلات النووية . [4]
القوة الطاردة المركزية
هي قوة وهمية وليست حقيقة تؤثر على الأجسام التي تتحرك في مسار دائري ، وتنشأ نتيجة لرد الفعل المقابل لقوة الجاذبية الأرضية التي يطلق عليها قوة الجذب المركزية ، وتسمى القوة الطاردة المركزية أيضا باسم القوة النابذة وباللغة الإنجليزية يطلق عليها ( Centrifugal Force ) ، ويتم حساب القوة الطاردة المركزية بالرجوع إلى قانون نيوتن الثاني ، والذي مفاده أن الجسم يكتسب تسارعا عندما تؤثر عليه قوة ما أو مجموعة من القوى ، وهذا التسارع الذي يكتسبه يكون ذو تناسب طردي مع مقدار محصلة القوى التي أثرت على الجسم ، كما يكون هذا التسارع ذو تناسب عكسي مع كتلة الجسم .
مكتشف القوة الطاردة المركزية
قام عالم الفيزياء الشهير اسحاق نيوتن باكتشاف القوة الطاردة المركزية الوهمية عام 1666 م ، وقد جاء هذا بعد اكتشافه للجاذبية الأرضية حسب القصة الشهيرة ، عندما سقطت التفاحة وأخذ نيوتن يفكر في سبب سقوطها للأسفل وأنها لم ترتفع إلى الأعلى ، والذي فسره بوجود قوة الجاذبية الأرضية التي تجذب جميع الأجسام للأسفل ، ولم يقتصر تفكيره على ذلك وإنما ظل يتساءل حول الأجسام الأكبر مثل الكواكب ، حيث أخذ يتساءل عن دوران الكواكب وكيف أنها لا تصطدم بالشمس ، وقال أن هناك قوة جذب تجذب الكواكب نحو الشمس ، وفي نفس الوقت فإن هناك قوة تبقي هذه الكواكب على مسافات مختلفة ثابتة من الشمس دون أن تصطدم بها ، وفسر نيوتن ذلك بوجود قوة أخرى عكسية تقاوم قوة الجذب المركزية ، وهو ما أطلق عليه اسم ( القوة الطاردة المركزية ) والتي تعمل على طرد الأجسام بعيدا ، وتعاكس قوة الجذب المركزية في كل من الاتجاه والمقدار .
قانون القوة الطاردة المركزية
يخضع حساب القوة الطاردة المركزية إلى القانون الفيزيائي التالي :
( Fc = −mv^2/r ) ، حيث تعبر Fc عن القوة الطاردة المركزية ، بينما يشير الرمز m إلى كتلة الجسم ، والرمز v إلى مقدار السرعة التي يدور بها الجسم ، أما الرمز r فهو يمثل نصف قطر الدائرة حيث أن هذه الدائرة تعبر عن المسافة بين الجسم وقوة الجذب المركزية ، ومن خلال هذا القانون يمكن الوصول إلى نتيجة وهي أن هناك العديد من العوامل المؤثرة في القوة الطاردة المركزية ، والتي تتمثل في الكتلة والمسافة بين الجسم ومركز قوة الجذب ، بالإضافة إلى مقدار سرعة دوران الجسم . [1]
تطبيقات قوة الطرد المركزي في حياتنا اليومية
يوجد العديد من الأمثلة والتطبيقات على القوة الطاردة المركزية :
أرجوجة الأطفال ، حيث تدور الأرجوحة حول محورها الأفقي بتأثير قوة الطرد المركزية .
مجفف الملابس في الغسالات الكهربية ، حيث يتم تجفيف الملابس في الغسالة من وعاء أسطواني ذي جدران مثقبة ، فعندما تدور الأسطوانة بسرعة ، تعمل قوة الطرد المركزي على الملابس الرطبة ، حيث تقوم قوة الطرد المركزي هذه بإخراج المياه عبر الثقوب وبالتالي تجفيف الأقمشة المبللة بسرعة .
انحراف الركاب بالسيارة عندما تنحرف السيارة فجأة نحو اليسار ، فإن الركاب في السيارة سيتعرضون للضغط الخارجي إلى اليمين ، هذا بسبب قوة الطرد المركزي التي تعمل على الركاب .
دلو مملوء بالماء يدور ولا تسقط محتوياته عندما يتم تدوير دلو مملوء بالماء في دائرة رأسية بسرعة معينة ، لا يسقط الماء ، ذلك لأن وزن الماء يتم موازنته بواسطة قوة الطرد المركزي التي تعمل عليه .
اتساع الأرض عند خط الاستواء واستوائها عند القطبين يرجع إلى قوة الطرد المركزي التي تعمل عليها .[2]
تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الرياضة
من قانون نيوتن الخاص بالقصور الذاتي ، سنجد أن الأجسام ستستمر في التحرك في مسار مستقيم ما لم يتم إجبارها بالقوة على فعل غير ذلك ، وبالتالي عندما يدور رياضي بمطرقة في ألعاب القوى ، يجب عليه استخدام القوة للحفاظ على الحركة في مسار دائري قريب .
كما تنطبق أيضًا على الانحناء حيث يجد الرياضيون صعوبة أكبر في الركض بسرعة قصوى في ممر منحني من الطرق المستقيمة .[3]
تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الطب
يعود استخدام أجهزة الطرد المركزي إلى أوائل القرن الثالث عشر عندما تم استخدامها لفصل الكريمة عن الحليب ، وكان وقتها التشغيل يتم يدويًا وكانت سرعات الدوران منخفضة ، ولكن في وقت لاحق تم إضافة المحركات الكهربائية ، واستخدمت القوة الطاردة المركزية في العديد من الاستخدامات .
وقد حصل ثيودور سفيدبرغ على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1926 لقيامه بالبحث عن البروتينات باستخدام قوة الطرد المركزي عالية السرعة ، فقد استطاع بقوة الطرد المركزي الفائقة تحديد الوزن الجزيئي وهيكل الوحدة الفرعية للعديد من البروتينات المعقدة كـ الهيموجلوبين على وجه الخصوص ، وقد تم تسمية وحدات الترسيب ذات الكفاءة الفعالة Svedberg (S) نسبة له ولجهوده . [4]
كيف يتم فصل المكونات عن بعضها باستخدام قوة الطرد المركزي
الدوران يسبب قوة عمودية على محور الدوران ، وتعمل قوة الطرد المركزي على وسائط العينة مما يؤدي إلى تسارع الأجسام ذات الكثافات المختلفة بمعدلات مختلفة ، مما يؤدي إلى الفصل والربط بين المواد ذات الكثافة المختلفة ، مع وجود المواد الأقل كثافة بالقرب من مركز الدوران .
تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الطاقة النووية
عملية استخلاص أحد نظائر اليوارنيوم التي يتم الاعتماد عليها في المفاعلات النووية ، عملية الفصل هذه تعتمد على نظرية القوة الطاردة المركزية ، حيث يتم فصل اليورانيوم 235 عن U-238 الأكثر شيوعًا ، رغم أنا الاختلاف بسيط بينهم بـ3 نيوترونات فقط ، ولكنها خطوة كبيرة في إنتاج المواد الانشطارية .
حيث يتم استخدام غاز يسمى فلوريد اليورانيوم السداسي وتتم عملية الفصل بسرعة دوران كبيرة جدا يمكن أن تتعدى 70 ألف لفة في الدقيقة ، ونظرا لانخفاض وزن هذا النظير عن غيره فإنه يصعد مع الدوران حيث يتم استخلاصه بتقنيات الشفط ، وبسبب الصعوبة تكون معدلات الإنتاج منخفضة ، وتتطلب العديد من أجهزة الطرد المركزي لتوفير مواد المفاعلات النووية . [4]
