ما هو الزخم الزاوي في الفيزياء والكيمياء وعلم الفلك

الموسوعة » مفاهيم أساسية » ما هو الزخم الزاوي في الفيزياء والكيمياء وعلم الفلك

يشير مفهوم حفظ المادة أو الكتلة في علم الفيزياء إلى العديد من المبادئ الخاصة بجوانب الحياة المادية التي لا تتأثر بالتفاعلات أو الأفعال المتنوعة، وتبقى مُخزنةً ومحفوظةً، ومن الأمثلة على هذه المبادئ لدينا خصائص الكتلة والطاقة والزخم، أي أن قانون مبدأ حفظ المادة فيزيائيًّا يدل على ثبات خصائص المادة الفيزيائية بعد إجراء تغيراتٍ عديدةٍ عليها، والزخم هو مصطلحٌ فيزيائيٌّ رياضيٌّ يدل على كمية الحركة التي تمتلكها المادة، كما يُعرف على أنه الكتلة في أي جسمٍ مُتحركٍ، فالجسم الذي يتحرك يمتلك زخمًا، وبالتالي نلاحظ أن المفهوم العام للزخم يعتمد على عاملين هما: سرعة الجسم وكتلته، ويساوي (الكتلة × السرعة)، ولكن ما هو الزخم الزاوي ؟ لنتعرف معًا في هذا المقال.§.

المفهوم الفيزيائي للزخم الزاوي

يُعرّف الزخم الزاوي في علم الفيزياء بأنه كمية الحركة الزاوية أو الدورانية، أو العزم الدوراني الزاوي لكمية حركة الجسم، كما أنه يشابه الزخم الخطي الحركي لكن بشكلٍ دورانيٍّ، والجدير بالذكر أن الزخم الزاوي يبقى ذو قيمةٍ ثابتةٍ لا تتغير في حال لم يتأثر بعواملَ خارجيةٍ.

فمثلًا، تمتلك الأرض “زخمٍ زاوي مداري” بسبب دورتها حول الشمس “وزخم زاوي ذاتي” بسبب دورانها اليومي حول محورها، وبالتالي، فإن الزخم الزاوي الكلي يمثّل مجموع الزخم الزاوي الذاتي والمداري، كما يُعرّف على أنه كميةٌ موجّهةٌ تتطلب تحديد كل من الشدة والاتجاه لوصفها بشكلٍ كاملٍ، حيث إن حجم الزخم الزاوي لجسمٍ في مداره يساوي زخمه الخطي (الناتج عن جداء كتلته m وسرعته الخطية v) مضروبًا بالمسافة العمودية r من مركز الدوران إلى خطٍ مرسومٍ في اتجاه حركته اللحظية ويمر من خلال مركز جاذبية الجسم. بالنسبة لجسمٍ يدور حول شيءٍ أو حول محوره، فيجب اعتبار زخمه الزاوي يُشابه تجميع للكمية (m × v × r) لجميع الجسيمات المكونة للجسم.§.

الزخم الزاوي في الكيمياء

إن ترتيب الأيونات والإلكترونات الموجودة في الذرة والجزيء، يتأثر بخاصية “الدوران”، حيث أن الدوران من أكثر الحوادث الفيزيائية والكيميائية أهمية، كما يُعد أساسًا في إنتاج طاقة التفاعلات الكيميائية، وإن المجال المغناطيسي يمتلك جسيماتٍ محددةً تحتوي على خصائصَ مغناطيسيةٍ تجعلها تتحرك عبر هذا المجال، وفيزيائيًّا، أشار الزخم الزاوي إلى فكرة الدوران الذاتي والمداري، لكن حالة الذرات والإلكترونات من الصعب تشبيهها بالجسيم الدوار، فهي تنحرف وتتحرك مُتأثرة بالمجال المغناطيسي، ومن غير المنطق تشبيهها بالأجسام الصلبة التي تستطيع الدوران في الفراغ، حيث أن البروتونات والإلكترونات لا تغيّر دورانها أبدًا وجميعنا يعلم أن لها اتجاهان فقط، فإذا اعتبرنا أن دوران الإلكترونات بسرعة زاوية معينة يولد عزمًا مغناطيسيًّا، وقمنا بقياس المجال المغناطيسي الذي تنتجه حركة الإلكترونات ودورانها حول النواة، سوف نستنتج أن الجسيمات يجب أن تتحرك بسرعةٍ أكبر من سرعة الضوء لكي تقوم بإنتاج العزم المغناطيسي الذي نريد قياسه.§.

الزخم الزاوي في علم الفلك

إن الزخم الزاوي لنظام الجزيئات والجسيمات المختلفة، هو مبدأ مهم في العديد من التخصصات العملية والعلمية، أهمها علم الفلك، مثل جزيرة دوارة من النجوم كمجرتنا درب التبانة، كما يمكن التعامل مع النجم الواحد على أنه جسيمٌ نقطي ولكل نجمٍ من المجرّة زخمه الزاوي الخاص، وبالتالي فإن زخم المجرة الزاوي الكلي يساوي مجموع متجهات العزوم الزاوية للنجوم الفردية.

تطبيقات وأمثلة عن الزخم الزاوي

الزخم الزاوي
الزخم الزاوي
  • يستمر الجسم الصلب الدوار في الدوران بمعدلٍ وسطيٍّ ثابتٍ وباتجاهٍ ثابتٍ أيضًا ما لم يؤثّر عليه عزم دوران خارجي مُطبّق، حيث أن معدل تغير الزخم الزاوي = عزم الدوران المطبق، فعلى سبيل المثال، ليكن لدينا شخص يمارس رياضة التزلج، تزيد سرعة دوران المتزلج، بالإضافة إلى السرعة الزاوية التي ستزيد بدورها أيضًا، عندما يسحب المتزلج ذراعيه نحو الداخل أي باتجاه صدره، لأن ذلك يقلل من عزم القصور الذاتي (عطالة الجسم) ويُبقي على ثبات زخمه الزاوي.
  • سرعات الدوران العالية لنجوم النيوترون أحد أهم الأمثلة، حيث إن سبب دوران نجم النيوترون هي قوة الطرد المركزية والدوران التفاضلي، وفي حالتنا هذه يمكن لخط الاستواء الخاص بالنجم أن يدور بسرعة زاوية مختلفة عن منطقة خطوط العرض العليا.
  • يَستخدم الجيروسكوب قانون الزخم الزاوي للحفاظ على اتجاهاته، حيث يتم استخدام عجلة دوارة تحتوي على ثلاث درجاتٍ مستقلة، عندما يتم تدوير العجلة بسرعةٍ كبيرةٍ، فإنه يثبت على اتجاهٍ واحدٍ ولا ينحرف عنه، ويعتبر هذا المثال مفيدًا في التطبيقات الفضائية حيث يكون الموقف الخاص بالمركبة الفضائية عاملًا مهمًا يجب التحكم فيه.§ §.