کشیدن (نیروی کششی): نیرویی که جهان را به حرکت درمی‌آورد
نیروی کششی چیست و چگونه عمل می‌کند؟
نیروی کششی (Tension Force) نوعی نیرو است که وقتی یک طناب، سیم، کابل یا هر شیء قابل کششی را می‌کشیم، در طول آن ایجاد می‌شود. این نیرو همیشه به صورت کششی است، یعنی دو سر جسم را به سمت خود می‌کشد. جهت این نیرو همیشه در امتداد طناب و به سمت مرکز آن است. برای مثال، زمانی که شما سگ خود را با قلاده می‌کشید، یا وقتی که جرثقیل یک تیرآهن را بلند می‌کند، نیروی کششی ایجاد شده است.
یک ویژگی مهم نیروی کششی این است که در یک طناب سبک و بدون جرم (ایده‌آل)، مقدار نیروی کششی در تمام طول طناب یکسان است. فرض کنید شما و دوستتان در دو طرف یک طناب قرار دارید و هر کدام با نیروی 100 N آن را می‌کشید. کشش در تمام نقاط طناب 100 N خواهد بود، نه 200 N.
$ T = F $
در ساده‌ترین حالت، اگر شما یک طناب را با نیروی F بکشید، نیروی کششی طناب برابر با همان F خواهد بود.
محاسبه نیروی کششی با استفاده از قوانین نیوتن
برای محاسبه مقدار دقیق نیروی کششی در مسائل پیچیده‌تر، باید از قوانین حرکت نیوتن، به ویژه قانون دوم (F = m × a) استفاده کنیم. معمولاً برای جسمی که توسط یک طناب کشیده یا آویزان شده، نمودار جسم آزاد می‌کشیم و تمام نیروهای وارد بر آن را تحلیل می‌کنیم.
مثال ۱: جسم آویزان
فرض کنید یک گلدان به جرم 3 kg از یک طناب آویزان است و ساکن است (شتاب ندارد). چون شتاب صفر است، طبق قانون اول نیوتن، نیروی خالص صفر است. نیروی وزن به پایین وارد می‌شود: W = m × g = 3 × 9.8 = 29.4 N. بنابراین، نیروی کششی طناب باید دقیقاً 29.4 N و به سمت بالا باشد تا نیروی وزن را خنثی کند.
مثال ۲: جسم در حال شتاب
حالا فرض کنید با یک طناب، یک گاری به جرم 10 kg را با شتاب ثابت 2 m/s² روی یک سطح بدون اصطکاک می‌کشید. برای پیدا کردن کشش طناب (T)، از قانون دوم نیوتن استفاده می‌کنیم:
$ F_{net} = m × a $
در اینجا نیروی خالص، همان نیروی کششی است زیرا اصطکاک وجود ندارد. پس:
$ T = m × a = 10 × 2 = 20 N $
| شرایط | نیروی کششی (T) | توضیح |
|---|---|---|
| جسم آویزان و ساکن | T = m × g | کشش برابر با وزن جسم است. |
| جسم با شتاب به سمت بالا | T = m × (g + a) | کشش بیشتر از وزن است. |
| جسم با شتاب به سمت پایین | T = m × (g - a) | کشش کمتر از وزن است. |
| حرکت روی سطح با اصطکاک | T = m × a + F_{friction} | کشش باید بر اصطکاک هم غلبه کند. |
کشش در مواد: از کشسانی تا گسیختگی
وقتی به یک جسم نیروی کششی وارد می‌کنیم، باعث تغییر شکل آن می‌شویم. تنش (Stress) مقدار نیروی وارد بر واحد سطح (N/m² یا پاسکال) است. کرنش (Strain) نیز میزان تغییر طول نسبی جسم است. رابطه بین تنش و کرنش برای بسیاری از مواد در محدوده الاستیک، توسط قانون هوک بیان می‌شود.
$ F = k × \Delta x $
که در آن:
F = نیروی کششی اعمال شده (نیوتن)
k = ثابت فنر (نیوتن بر متر)
Δx = تغییر طول فنر (متر)
این قانون می‌گوید تغییر طول یک فنر (یا بسیاری از مواد الاستیک) با نیروی کششی وارد بر آن نسبت مستقیم دارد.
اگر نیروی کششی بیش از حد تحمل ماده باشد، ماده از حالت الاستیک خارج شده و در نهایت می‌شکند. به نقطه‌ای که شکست اتفاق می‌افتد، استحکام کششی نهایی می‌گویند. مهندسان برای طراحی پل‌ها، آسمان‌خراش‌ها و هواپیماها باید مطمئن شوند که تنش در مواد به‌کار رفته، بسیار کمتر از استحکام کششی نهایی آن‌هاست.
کاربردهای شگفت‌انگیز نیروی کششی در دنیای واقعی
نیروی کششی فقط در طناب بازی نیست؛ پایه و اساس بسیاری از فناوری‌های مدرن است.
۱. پل‌های معلق: عظیم‌ترین و زیباترین مثال هستند. وزن عرشه پل و خودروها به کابل‌های اصلی منتقل می‌شود. این کابل‌ها تحت کشش بسیار شدیدی قرار دارند و این کشش، نیروی وزن را به برج‌های پل و در نهایت به زمین منتقل می‌کند.
۲. آسانسورها: کابین آسانسور توسط کابل‌های فولادی بسیار محکمی آویزان است. موتور آسانسور با اعمال کشش بیشتر یا کمتر به این کابل‌ها، کابین را به سمت بالا یا پایین حرکت می‌دهد.
۳. ورزش‌ها: در طناب‌کشی، کشش طناب تعیین‌کننده برنده است. در راکت تنیس یا بدمینتون، کشش رشته‌های راکت بر قدرت و کنترل ضربه تأثیر مستقیم دارد. حتی کشش در تارهای ویولن یا گیتار است که باعث تولید نت‌های مختلف می‌شود.
۴. کشش سطحی (Surface Tension): این پدیده که باعث می‌شود حشرات روی آب راه بروند یا قطره آب به شکل کره درآید، ناشی از نیروهای کششی بین مولکول‌های آب است. مولکول‌های سطح آب یک لایه کشسان نامرئی تشکیل می‌دهند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. نیروی کششی و فشار دو مفهوم کاملاً متفاوت هستند. کشش یک نیرو است که در امتداد یک جسم عمل می‌کند (مثل کشیدن طناب). فشار اما نیروی وارد بر واحد سطح است (مثل فشار هوای داخل لاستیک). کشش یک کمیت برداری است در حالی که فشار یک کمیت نرده‌ای است.
در این حالت، سیستم دیگر در تعادل نیست و شتاب می‌گیرد. طناب و افراد به سمت جهتی که نیروی بزرگ‌تری اعمال می‌شود، شتاب می‌گیرند. نیروی کششی در طناب برابر با نیروی کوچک‌تر نیست، بلکه مقداری بین دو نیرو خواهد بود که برای محاسبه دقیق آن باید از قانون دوم نیوتن برای کل سیستم استفاده کرد.
به دو دلیل اصلی: ۱- انقباض و انبساط ناشی از تغییر دما: اگر سیم در هوای سرد منقبض شود، کشش زیادی ایجاد می‌کند که می‌تواند باعث پاره شدن سیم یا آسیب به دکل شود. شل بودن به سیم اجازه انبساط و انقباض می‌دهد. ۲- وزن: سیم‌های برق بسیار سنگین هستند. کشش ناشی از وزن خود سیم می‌تواند خطرناک باشد. شل نصب کردن، این کشش را کاهش می‌دهد.
پاورقی
1SI (Système international d'unités): سیستم بین‌المللی یکاها که واحدهای استاندارد اندازه‌گیری مانند متر، کیلوگرم و نیوتن در آن تعریف شده‌اند.
2نیوتن (Newton): واحد اندازه‌گیری نیرو در سیستم SI. یک نیوتن مقدار نیرویی است که به یک جسم یک کیلوگرمی، شتابی برابر با یک متر بر مجذور ثانیه می‌دهد (1 N = 1 kg·m/s²).
3پاسکال (Pascal): واحد اندازه‌گیری فشار در سیستم SI که برابر با یک نیوتن بر متر مربع است (1 Pa = 1 N/m²).