نیرو1: عامل تغییردهنده حالت حرکت جسم
نیرو چیست؟ تعریف ساده برای شروع
تصور کنید میخواهید یک توپ ساکن روی زمین را حرکت دهید. شما باید به آن هل بدهید. این عمل هل دادن، یک نیرو است. به زبان علمیتر، نیرو هرگونه کشش یا هل است که میتواند باعث شتاب گرفتن (تغییر سرعت)، تغییر جهت یا تغییر شکل یک جسم شود. نیروها نامرئی هستند، اما همیشه آثار آنها را میبینیم: افتادن سیب از درخت، ترمز کردن ماشین یا کشیده شدن آهنربا.
نیرو یک کمیت برداری است، یعنی هم اندازه دارد و هم جهت. واحد اندازهگیری نیرو در سیستم بینالمللی یکاها6، نیوتن (N) نام دارد. یک نیوتن تقریباً برابر نیرویی است که برای نگه داشتن یک سیب 100 گرمی در مقابل جاذبهٔ زمین لازم است.
قوانین سهگانه نیوتن: ستونهای درک نیرو و حرکت
سر ایزاک نیوتن7 دانشمند انگلیسی، سه قانون کلیدی را برای توصیف رابطه بین نیرو و حرکت ارائه کرد که پایهٔ مکانیک کلاسیک هستند.
| نام قانون | بیان ساده | مثال روزمره |
|---|---|---|
| قانون اول (لَختی8) | جسم ساکن تمایل دارد ساکن بماند و جسم متحرک تمایل دارد با سرعت ثابت در خط راست به حرکت خود ادامه دهد، مگر اینکه نیروی خالصی به آن وارد شود. | وقتی اتوبوس ناگهان ترمز میکند، بدن شما به سمت جلو پرتاب میشود زیرا تمایل دارد به حرکت قبلی خود ادامه دهد. |
| قانون دوم (شتاب) | شتاب یک جسم مستقیماً با نیروی خالص وارد بر آن متناسب و با جرم آن نسبت عکس دارد. (طبق فرمول $ F=ma $) | هل دادن یک دوچرخه (جرم کم) آسانتر از هل دادن یک ماشین (جرم زیاد) است. برای شتاب یکسان، به نیروی بیشتری نیاز دارید. |
| قانون سوم (عمل و عکسالعمل) | برای هر نیرویی که جسم A به جسم B وارد میکند، جسم B نیز نیرویی به همان اندازه اما در جهت مخالف به جسم A وارد میکند. | وقتی با پا به دیوار ضربه میزنید، دیوار نیز به پای شما نیرو وارد میکند (که باعث درد میشود!). یا هنگامی که قایق پارو را در آب به عقب میکشد، آب قایق را به جلو میراند. |
انواع نیروها در طبیعت: از گرانش تا اصطکاک
نیروها به شکلهای مختلفی در جهان ما ظاهر میشوند. چهار نیروی بنیادی در فیزیک وجود دارد، اما در زندگی روزمره با چند نوع آشنا از آنها سر و کار داریم.
نیروی گرانش2 (جاذبه): نیرویی است که دو جسم را به دلیل جرمشان به یکدیگر جذب میکند. جاذبهٔ زمین همان نیرویی است که ما را روی سطح زمین نگه میدارد و باعث سقوط اشیا میشود. نیروی وزن هر جسم در واقع همان نیروی گرانشی است که زمین به آن وارد میکند: $ W = m \times g $ که در آن $ g $ شتاب گرانش زمین (حدود $ 9.8 \, m/s^2 $) است.
نیروی اصطکاک3: نیرویی است که در مقابل حرکت دو سطح در تماس با هم مقاومت میکند. اصطکاک هم میتواند مضر باشد (مانند ساییدگی قطعات ماشین) و هم مفید (مانند امکان راه رفتن بدون لغزش).
نیروی الکترومغناطیسی4: این نیرو شامل نیروی الکتریکی (بین بارهای الکتریکی) و نیروی مغناطیسی (بین آهنرباها) است. نیرویی که موتورهای الکتریکی را میچرخاند یا مولکولها را کنار هم نگه میدارد از این نوع است.
نیروی کشسان: وقتی یک فنر یا کش را میکشید یا فشار میدهید، نیرویی در جهت بازگرداندن آن به شکل اولیه ایجاد میشود. این نیرو با تغییر طول فنر نسبت مستقیم دارد (قانون هوک9): $ F = k \times x $.
محاسبه نیروی خالص و تأثیر آن بر حرکت
معمولاً روی یک جسم بیش از یک نیرو وارد میشود. برای پیشبینی حرکت جسم، باید نیروی خالص (برآیند نیروها) را محاسبه کنیم. اگر نیروها در یک راستا باشند، نیروهای همجهت را با هم جمع و نیروهای مخالف جهت را از هم کم میکنیم.
مثال: فرض کنید شما و دوستتان یک جعبه را با طناب میکشید. شما با نیروی 50 N به سمت راست و دوستتان با نیروی 30 N به سمت چپ میکشد. نیروی خالص وارد بر جعبه: $ 50 - 30 = 20 \, N $ به سمت راست است. بنابراین جعبه با شتابی متناسب با این نیروی خالص به سمت راست حرکت میکند.
وقتی نیروی خالص صفر باشد، جسم یا ساکن میماند یا با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه میدهد (طبق قانون اول نیوتن). به این حالت تعادل نیروها میگویند. مانند کتابی که روی میز قرار دارد: نیروی وزن کتاب به پایین و نیروی عکسالعمل میز (نیروی عمود سطح) به بالا، همدیگر را خنثی میکنند.
نیرو در خدمت انسان: کاربردهای عملی در فناوری و ورزش
درک نیروها پایهٔ طراحی تقریباً همهٔ ماشینها و سازهها است.
وسایل نقلیه: در یک خودرو، نیروی موتور (به جلو) باید بر نیروهای مخالف مانند اصطکاک و مقاومت هوا غلبه کند تا خودرو شتاب بگیرد. ترمزها با ایجاد اصطکاک زیاد، نیرویی در جهت مخالف حرکت ایجاد کرده و سرعت را کاهش میدهند.
سازهها: پلها و ساختمانها طوری طراحی میشوند که بتوانند نیروهای مختلف مانند وزن خود سازه، وزن وسایل، نیروی باد و زلزله را تحمل کنند. مهندسان با محاسبهٔ دقیق نیروها، از ایمنی سازه اطمینان حاصل میکنند.
ورزش: در فوتبال، ضربه زدن به توپ اعمال یک نیروی ضربهای است که سرعت و جهت توپ را تغییر میدهد. در پرش ارتفاع، ورزشکار با وارد کردن نیرو به زمین (طبق قانون سوم)، نیرویی از زمین دریافت میکند که او را به بالا پرتاب میکند. طراحی دوچرخه و لباس شناگران نیز برای کاهش نیروی مقاومت هوا (اصطکاک با هوا) بهینه شده است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. نیرو باعث شتاب (تغییر در سرعت یا جهت) میشود. اگر نیروی خالص صفر باشد، ممکن است جسم در حال حرکت با سرعت ثابت باشد (بدون شتاب). همچنین نیرو میتواند فقط باعث تغییر شکل جسم شود، مانند فشردن یک اسفنج.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. جرم مقدار مادهٔ تشکیلدهندهٔ جسم است و در همه جای جهان ثابت میماند (بر حسب کیلوگرم). اما وزن یک نیرو است و برابر با نیروی جاذبهای است که سیاره (مانند زمین) به آن جرم وارد میکند (بر حسب نیوتن). وزن با تغییر شدت گرانش (مثلاً روی ماه) تغییر میکند، اما جرم ثابت است.
پاسخ: زیرا این دو نیرو به دو جسم مختلف وارد میشوند. وقتی شما به دیوار نیرو وارد میکنید (نیروی عمل روی دیوار)، دیوار نیز به شما نیرو وارد میکند (نیروی عکسالعمل روی شما). این نیروها یکدیگر را خنثی نمیکنند زیرا هر کدام بر جسم متفاوتی اثر میگذارند. نتیجهٔ نهایی حرکت (یا عدم حرکت) هر جسم، به نیروهای خالص وارد بر خود آن جسم بستگی دارد.
پاورقی
1 نیرو (Force)
2 گرانش (Gravity)
3 اصطکاک (Friction)
4 الکترومغناطیس (Electromagnetism)
5 قوانین نیوتن (Newton's Laws of Motion)
6 سیستم بینالمللی یکاها (International System of Units - SI)
7 سر ایزاک نیوتن (Sir Isaac Newton)
8 لَختی (Inertia)
9 قانون هوک (Hooke's Law)
