نیروى رانشی[1]: نیروی دافعه بین دو جسم
نیروی رانشی چیست؟ از تجربه روزمره تا تعریف علمی
حتماً شما هم تجربه کردهاید که وقتی دو آهنربا را به هم نزدیک میکنید، گاهی به شدت یکدیگر را دفع میکنند و نمیگذارند به هم بچسبند. این یک نمایش ساده و مستقیم از نیروی رانشی است. در واقع، نیروی رانشی نیرویی است که بین دو جسم یا ذره عمل میکند و تمایل دارد آنها را از یکدیگر دور کند. این نیرو، مخالف نیروی ربایش یا جاذبه است که اجسام را به سوی هم میکشد.
نیروی رانشی یک مفهوم نسبی است. یعنی برای وجود آن، باید حداقل دو جسم وجود داشته باشند که بر یکدیگر تأثیر بگذارند. این نیرو، مانند یک فنر فشرده بین دو جسم عمل میکند و آنها را به بیرون میراند.
| نمونه | چه چیزی باعث رانش میشود؟ | توضیح ساده |
|---|---|---|
| دو قطب همنام آهنربا | میدان مغناطیسی[6] | قطب N دو آهنربا یا قطب S هر دو، یکدیگر را میرانند. |
| بادکنک مالشدادهشده به مو | بار الکتریکی یکسان | اگر دو بادکنک را به مو مالش دهید (هر دو بار منفی میگیرند) و به هم نزدیک کنید، یکدیگر را دفع میکنند. |
| فشرده کردن فنر | کشسانی[7] مواد | وقتی دو سر یک فنر فشرده را رها کنید، از هم دور میشوند. فنر یک نیروی رانشی به دو سر خود وارد میکند. |
| پای انسان روی زمین | نیروی عمودی تکیهگاه[8] | زمین ما را به بالا میراند (میراند) تا در آن فرو نرویم. این یک نیروی رانشی مکانیکی است. |
نیروی رانشی در مقیاس اتم و مولکول: دنیای نامرئی
در دنیای بسیار ریز اتمها و مولکولها، نیروی رانشی نقش حیاتی در شکلگیری ساختار ماده ایفا میکند. اگر این نیروها نبودند، همهٔ مواد در هم فرو میریختند.
اتمها از یک هسته با بار مثبت و الکترونهایی با بار منفی تشکیل شدهاند. قانون بنیادی در اینجا میگوید: بارهای همنام یکدیگر را میرانند و بارهای ناهمنام یکدیگر را میربایند. الکترونها به دلیل داشتن بار منفی، یکدیگر را دفع میکنند. همین دافعه است که باعث میشود الکترونها در فضای اطراف هسته پخش شوند و به صورت یک ابر درآیند، نه اینکه همه روی هم جمع شوند.
$F = k \frac{|q_1 \cdot q_2|}{r^2}$
در این فرمول، $F$ نیروی رانش، $k$ ثابت تناسب، $q_1$ و $q_2$ بارهای همنام و $r$ فاصله بین آنهاست.
وقتی دو اتم به هم نزدیک میشوند، الکترونهای لایهٔ بیرونی آنها شروع به دفع یکدیگر میکنند. این دافعه مانع از نفوذ اتمها به درون یکدیگر میشود. به همین دلیل است که شما نمیتوانید دست خود را از روی میز عبور دهید! در واقع، نیروی رانشی بین الکترونهای دست شما و الکترونهای سطح میز، عامل اصلی احساس سفتی و جامد بودن اجسام است. به این پدیده، دافعه الکترونی میگویند.
نیروی رانشی در میان نیروهای بنیادی جهان
در فیزیک مدرن، چهار نیروی بنیادی معرفی میشوند که همهٔ پدیدههای فیزیکی از برهمکنش آنها ناشی میشود. نیروی رانشی در برخی از این نیروها به وضوح دیده میشود.
| نیروی بنیادی | آیا میتواند رانشی باشد؟ | توضیح و مثال |
|---|---|---|
| گرانش[10] | خیر | نیروی گرانش همواره جاذبه است و جرمها را به سوی هم میکشد. هیچ "دافعه گرانشی" در فیزیک کلاسیک وجود ندارد. |
| الکترومغناطیسی | بله | بارهای همنام یکدیگر را میرانند. این نیرو، دلیل اصلی بیشتر پدیدههای رانشی که در زندگی میبینیم (مانند آهنربا و الکتریسیته) است. |
| نیروی هستهای قوی[11] | بله (در فاصلههای بسیار کوتاه) | این نیرو پروتونهای با بار مثبت را در هسته اتم کنار هم نگه میدارد. اما در فاصلههای بسیار نزدیکتر از اندازه پروتون، این نیرو به یک دافعه شدید تبدیل میشود و مانع از در هم فرورفتن پروتونها میگردد. |
| نیروی هستهای ضعیف[12] | - | این نیرو مسئول واپاشی[13] ذرات است و معمولاً به صورت رانش یا ربایش ساده توصیف نمیشود. |
کاربردهای عملی نیروی رانشی: از قطار پرسرعت تا پزشکی
مهندسان با درک نیروی رانشی، فناوریهای شگفتانگیزی ساختهاند. یکی از جذابترین آنها، قطارهای مغناطیسی شناور[14] است. در این قطارها، از نیروی دافعهٔ قوی بین آهنرباهای روی ریل و بدنه قطار استفاده میشود. این نیرو، قطار را کاملاً از روی ریل بلند کرده و به حالت شناور در میآورد. حذف اصطکاک با ریل، به قطار اجازه میدهد با سرعتهای باورنکردنی (بیش از 600 کیلومتر بر ساعت) حرکت کند.
در مقیاس کوچکتر، دستگاههای تصویربرداری تشدید مغناطیسی[15] (امآرآی) در بیمارستانها از نیروی رانشی در سطح اتمی استفاده میکنند. در این دستگاه، اتمهای بدن در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار میگیرند. رفتار این اتمها در برابر میدان (که شامل اثرات رانشی و ربایشی است) توسط کامپیوتر تحلیل شده و تصویر دقیقی از درون بدن تولید میکند.
حتی در یک ترازوی فنری ساده نیز نیروی رانشی کاربرد دارد. وقتی جسمی را روی کفه میگذارید، فنر داخل ترازو فشرده میشود. این فنر با نیروی رانشی خود در برابر فشرده شدن مقاومت میکند و میزان این مقاومت، که با جرم جسم مرتبط است، بر روی صفحهٔ مدرج نشان داده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] Repulsive Force (نیروی دافعه)
[2] Attractive Force
[3] Electromagnetic Force
[4] Electric Charge
[5] Interaction
[6] Magnetic Field
[7] Elasticity
[8] Normal Force
[9] Coulomb's Law
[10] Gravitational Force
[11] Strong Nuclear Force
[12] Weak Nuclear Force
[13] Decay
[14] Maglev Train (Magnetic Levitation)
[15] Magnetic Resonance Imaging (MRI)
