ما هو مركز الثقل ؟
يعرف مركز الثقل في الفيزياء، بأنه نقطة خيالية في جسم مادة حيث، للراحة في حسابات معينة، قد يُعتقد أن الوزن الإجمالي للجسم مركّز، ويكون هذا المفهوم مفيدًا في بعض الأحيان في تصميم الهياكل الثابتة (مثل المباني والجسور) أو في التنبؤ بسلوك الجسم المتحرك عندما يتأثر بالجاذبية.
في مجال الجاذبية المنتظم، يكون مركز الجاذبية مطابقًا لمركز الكتلة، وهو مصطلح يفضله الفيزيائيون ومع ذلك، لا يتطابق الاثنان دائمًا، وعلى سبيل المثال، مركز كتلة القمر قريب جدًا من مركزه الهندسي (ليس دقيقًا لأن القمر ليس كرويًا موحدًا مثاليًا)، لكن مركز جاذبيته ينزاح قليلاً نحو الأرض بسبب قوة الجاذبية الأقوى على القمر الجانب القريب.
قد يتطابق موقع مركز ثقل الجسم مع المركز الهندسي للجسم، خاصة في جسم متماثل الشكل مكون من مادة متجانسة، أو جسم غير متماثل يتكون من مجموعة متنوعة من المواد بكتل مختلفة ومع ذلك، فمن المرجح أن يكون له مركز ثقل يقع على مسافة ما من مركزه الهندسي.
في بعض الحالات، مثل الأجسام المجوفة أو الأجسام غير المنتظمة، قد يحدث مركز الثقل (أو مركز الكتلة) في الفضاء عند نقطة خارج المادة المادية – على سبيل المثال، في مركز كرة التنس أو بين أرجل كرسي.
تسرد الجداول والكتيبات المنشورة مراكز الثقل للأشكال الهندسية الأكثر شيوعًا، مثلا بالنسبة للوحة معدنية مثلثة، فإن العملية الحسابية ستشمل جمع لحظات أوزان جميع الجسيمات التي تتكون منها اللوحة المعدنية حول نقطة A، من خلال معادلة هذا المجموع بوزن اللوحة W، مضروبًا من خلال المسافة غير المعروفة من مركز الثقل G إلى AC، يمكن تحديد موضع G بالنسبة لـ AC، ويمكن الحصول على تجميع اللحظات بسهولة وبدقة عن طريق حساب التفاضل والتكامل.
مركز ثقل الجاذبية الارضية:
يمكن تحديد مركز الثقل لأي جسم عن طريق إجراء فيزيائي بسيط، وعلى سبيل المثال، بالنسبة للوحة، فإنة يمكن تحديد موقع النقطة G عن طريق تعليق اللوحة بواسطة سلك متصل عند النقطة A ثم بواسطة سلك متصل عند Cنقطة، حيث عندما يتم تعليق اللوحة من A، يكون الخط AD عموديًا؛ عندما يتم تعليقه من C، يكون الخط CE رأسيًا، سوف يقع مركز الثقل عند تقاطع AD و CE، وعندما يتم تعليق جسم ما من أي نقطة مفردة، فإن مركز جاذبيته يقع مباشرة تحت تلك النقطة.
يعرف الوزن بانه قوة الجاذبية المؤثرة على جسم ما، بسبب وجود جسم ثانٍ ضخم، مثل الأرض أو القمر، حيث الوزن هو نتيجة لقانون الجاذبية العالمي: أي جسمين، بسبب كتلتهما، يجتذبان بعضهما البعض بقوة تتناسب طرديًا مع ناتج كتلتهما وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما.
بالتالي، فإن الأجسام الأكثر ضخامة، بالطبع تزن أكثر في نفس الموقع؛ كلما ابتعد الجسم عن الأرض، كان وزنه أصغر، حيث وزن جسم في القطب الجنوبي للأرض أكبر قليلاً من وزنه عند خط الاستواء لأن نصف القطر القطبي للأرض أقل قليلاً من نصف قطر خط الاستواء، على الرغم من أن كتلة الجسم تظل ثابتة، إلا أن وزنها يختلف باختلاف موقعها، تتحد الكتلة الأصغر للقمر ونصف قطره مقارنة بتلك الموجودة على الأرض لتكوين نفس الجسم الموجود على سطح القمر يزن سدس قيمة وزنه على الأرض.
وبسبب كل الكتلة الموجودة في الكون، فإن لكل نقطة في الفضاء خاصية تسمى مجال الجاذبية عند تلك النقطة، مساوية عدديًا لتسارع الجاذبية في تلك النقطة، وبدلاً من ذلك، فإن الوزن هو نتاج كتلة الجسم وإما مجال الجاذبية أو تسارع الجاذبية عند النقطة التي يقع فيها الجسم.
حساب مواضع مركز الثقل:
تم حساب مواضع مركز الثقل المشترك للكرسي المتحرك والجسم البشري باستخدام نموذج حركي، حيث كان لمواقف مركز الثقل ارتباط كبير مع مواضع مركز الضغط التي تم الحصول عليها من بيانات لوحة القوة في الاتجاه الأمامي الخلفي في التجارب الثابتة (r = 0.99 ، p <.05)، مما يعطي خطأ متوسطًا ( RMSE 1.0 تقريبًا).
انخفضت المسافة الدنيا بين مركز الجاذبية ومواقف المحور بشكل ملحوظ مع توجيه موضع المحور في الدفع على الأرض (p <.05) ومع ذلك، أظهر الدفع على المنحدر اختلافات أقل أهمية في المسافة بين مركز الثقل ومواقع المحور، هذا يعني ضمناً أن الأنشطة الأكثر ديناميكية تؤدي إلى مجموعة متنوعة من التغييرات في مركز الثقل، ويمكن اعتبار هذه الطريقة لتحديد مركز الجاذبية صالحة في التجارب الثابتة لجلوس الكراسي المتحركة وفي التجارب الديناميكية على أرض مستوية أثناء دفع الكرسي المتحرك يدويًا.
عندما يجلس شخص على كرسي متحرك، يتم توزيع كتلة الشخص بين العجلات الأمامية والعجلات الخلفية، إذ تؤثر كيفية توزيع الكتلة بين العجلات الأمامية والعجلات الخلفية – أي التوزيع النسبي للوزن بين العجلات الأمامية والعجلات الخلفية – على مؤشرات الأداء، مثل مقاومة التدحرج والقدرة على المناورة.
عندما تكون العجلات الخلفية في وضع خلفي بالنسبة لإطار الكرسي المتحرك، فإن كتلة الشخص الذي يستخدم الكرسي المتحرك يتم توزيعها على العجلات الأمامية بدرجة أكبر مما كانت عليه عندما العجلة الخلفية في وضع أمامي أكثر بالنسبة للإطار، عندما يتم توزيع نسبة كبيرة من الوزن على العجلات الأمامية، تزداد مقاومة التدحرج ويصبح دفع الكرسي المتحرك أكثر صعوبة، سواء من خلال الدفع اليدوي، أو الدفع بالقدم، أو مزيج من الاثنين، ومطلوب مزيد من القوة والطاقة لدفع الكرسي المتحرك.
بالإضافة إلى ذلك، فإن ثقل العجلات الأمامية يجعل من الصعب مناورة الكرسي المتحرك، مما يتطلب مزيدًا من القوة لبذلها لقلب الكرسي المتحرك، ونأخذ اعتبار آخر هو نصف قطر الدوران، حيث عندما تكون العجلات الخلفية في وضع خلفي، يكون الطول الإجمالي لقاعدة العجلات أكبر ويزداد نصف قطر الدوران، مقارنةً عندما تكون العجلات في وضع أمامي أكثر.
تتمثل إحدى مزايا وضع العجلات الخلفية في موضع خلفي أكثر في وجود ثبات في الكرسي المتحرك، أي من غير المرجح أن يميل الكرسي المتحرك للخلف ومع ذلك، فإن هذا الثبات يعني أنه من الصعب “إزالة وزن” العجلات الأمامية لأداء حركة بهلوانية بالدراجة، والتي قد تكون مطلوبة للتنقل، كما هو الحال عند عبور العوائق.
عندما تكون العجلات الخلفية في وضع أمامي أكثر، تحدث التأثيرات المعاكسة، يتم تقليل النسبة المئوية للوزن الذي يمر عبر العجلات الأمامية، مع مرور نسبة أكبر من الوزن عبر العجلات الخلفية، وتقل مقاومة التدحرج، مما يجعل دفع الكرسي المتحرك أسهل بكثير، حيث إنه عندما تكون العجلة الخلفية في وضع أمامي أكثر، يتم تقليل الطول الإجمالي لقاعدة العجلات ونصف قطر الدوران، ونظرًا لأن الجهد والقوة مطلوبان لدفع الكرسي المتحرك ومناورته، يتم تقليل استهلاك الطاقة عند تقليل مقاومة التدحرج.
