نیروهای اتلافی: دشمنان نامرئی انرژی
نیروی اتلافی چیست و چگونه عمل میکند؟
در دنیای فیزیک، دو دسته نیروی اصلی داریم: نیروهای پایستار3 و نیروهای ناپایستار یا اتلافی. نیروی پایستار مانند گرانش، کاری که روی یک جسم انجام میدهد مستقل از مسیر است و انرژی مکانیکی کل (مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل) را حفظ میکند. اما نیروی اتلافی داستان دیگری دارد.
نیروی اتلافی همیشه در خلاف جهت حرکت جسم وارد میشود. برای غلبه بر آن باید کار انجام دهیم و این کار، انرژی مکانیکی سیستم را کاهش داده و آن را به شکل دیگری، معمولاً انرژی گرمایی یا درونی، تبدیل میکند. این انرژی گرمایشی سپس در محیط پخش میشود و دیگر نمیتوان آن را به آسانی و به طور کامل به انرژی مکانیکی مفید برگرداند. به همین دلیل است که یک توپ که روی زمین میغلتد، سرانجام میایستد.
که در آن $W_f$ کار منفی نیروی اصطکاک جنبشی، $f_k$ اندازه نیروی اصطکاک جنبشی و $d$ جابهجایی جسم است. علامت منفی نشاندهنده این است که این کار، انرژی سیستم را کاهش میدهد.
انواع اصلی نیروهای اتلافی و جدول مقایسهای
نیروهای اتلافی مختلفی وجود دارند، اما دو نوع آن در زندگی روزمره از همه مهمتر و مشهودتر هستند: اصطکاک و مقاومت سیال (مقاومت هوا یا آب).
| نوع نیرو | تعریف | نمونههای عینی | تأثیر بر انرژی |
|---|---|---|---|
| اصطکاک جنبشی | نیروی مخالف حرکت بین دو سطح در تماس که روی یکدیگر میلغزند. | لغزش کتاب روی میز، ترمز کردن دوچرخه، راه رفتن. | انرژی جنبشی را به گرما تبدیل میکند. کتاب و سطح میز گرم میشوند. |
| اصطکاک ایستایی | نیرویی که از شروع حرکت بین دو سطح ساکن جلوگیری میکند. | جعبه سنگینی که روی زمین تکان نمیخورد، پیچ محکم. | خود انرژی تلف نمیکند، اما برای غلبه بر آن باید کار انجام داد که بعداً ممکن است به گرما تبدیل شود. |
| مقاومت هوا (پسا) | نیروی مخالفی که هوا (یا هر سیال دیگری) در برابر حرکت یک جسم اعمال میکند. | پرش با چتر نجات، حرکت خودرو، افتادن پر در هوا. | انرژی جنبشی را به گرمایش هوا و جسم تبدیل میکند. هر چه سرعت بیشتر، مقاومت به شدت افزایش مییابد. |
| اصطکاک غلتشی | مقاومتی که هنگام غلتیدن یک جسم کروی یا استوانهای روی یک سطح ایجاد میشود. | حرکت توپ، چرخهای ماشین یا دوچرخه روی آسفالت. | انرژی را تلف میکند اما معمولاً بسیار کمتر از اصطکاک لغزشی است. به همین دلیل استفاده از چرخ اختراع بزرگی بود! |
محاسبه و سنجش اثر اتلاف انرژی
برای درک کمی اثر نیروهای اتلافی، از مفهوم بازده4 استفاده میکنیم. بازده نسبت انرژی یا توان مفید خروجی به کل انرژی یا توان ورودی است که معمولاً به درصد بیان میشود. به دلیل وجود نیروهای اتلافی، بازده هیچ ماشینی هرگز به 100% نمیرسد.
مثال: یک پمپ آب برقی را در نظر بگیرید. انرژی الکتریکی وارد میشود (ورودی). پمپ، آب را به ارتفاعی بالاتر پمپاژ میکند که افزایش انرژی پتانسیل گرانشی آب، خروجی مفید است. اما بخشی از انرژی ورودی صرف غلبه بر اصطکاک بین قطعات متحرک پمپ و گرمایش سیمپیچهای موتور میشود (اتلاف). اگر انرژی مفید خروجی 800 ژول و انرژی ورودی 1000 ژول باشد، بازده اینگونه محاسبه میشود:
این یعنی 20% انرژی ورودی توسط نیروهای اتلافی تلف شده است.
کاربردهای عملی: مبارزه و استفاده از نیروهای اتلافی
مهندسان و دانشمندان همیشه در تلاش هستند تا اثر نیروهای اتلافی ناخواسته را کاهش دهند یا از آنها به صورت مفید استفاده کنند.
کاهش اتلاف:
- روانکاری: استفاده از روغن یا گریس بین سطوح فلزی، اصطکاک جنبشی را به اصطکاک داخلی سیال (که کمتر است) تبدیل میکند و سایش و گرمای تولیدی را کاهش میدهد.
- آیرودینامیک: طراحی بدنههای صاف و کشیده برای خودروها و هواپیماها، مقاومت هوا را به حداقل میرساند و مصرف سوخت را کاهش میدهد.
- استفاده از چرخ و بلبرینگ: تبدیل اصطکاک لغزشی زیاد به اصطکاک غلتشی کم، که باعث روانتر شدن حرکت میشود.
استفاده مفید از اتلاف:
- ترمزها: لنتهای ترمز با ایجاد اصطکاک زیاد روی دیسک چرخ، انرژی جنبشی خودرو را به سرعت به گرما تبدیل کرده و آن را متوقف میکنند. این یک کاربرد حیاتی و نجاتبخش نیروی اتلافی است.
- کبریت و آتشزنه: مالش سریع یک سطح به سطح دیگر (ایجاد اصطکاک) گرما تولید میکند تا دمای ماده آتشزنه به نقطه احتراق برسد.
- گرم کردن دستها در زمستان: مالش دو دست به هم، انرژی مکانیکی را مستقیماً به انرژی گرمایی مورد نیاز ما تبدیل میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، طبق قانون اول نیوتن (قانون لَختی)، اگر نیروی خالص وارد بر جسم صفر باشد، جسم ساکن میماند یا به حرکت یکنواخت خود روی خط راست ادامه میدهد. در دنیای ایدهآل بدون اصطکاک و مقاومت هوا، توپی که روی زمین شلیک میشود هیچگاه سرعتش کم نمیشود و متوقف نمیگردد. این وضعیت فقط در فضا، که نزدیک به خلأ است، به طور تقریبی قابل مشاهده است.
پاسخ: خیر، نیروی اتلافی همیشه مضر نیست و در بسیاری موارد حیاتی و مفید است. بدون اصطکاک، راه رفتن، گرفتن اشیا با دست، ترمز گرفتن خودروها یا حتی بستن بند کفش غیرممکن میشد. مقاومت هوا نیز برای پرواز هواپیما (با ایجاد نیروی برآ) و عملکرد چتر نجات ضروری است. نکته کلیدی، مدیریت و کنترل این نیروها در جای مناسب است.
پاسخ: خیر، انرژی هرگز نابود نمیشود (طبق قانون بقای انرژی). آنچه ما "اتلاف انرژی" مینامیم، در واقع تبدیل انرژی از شکل مفید و متمرکز (مانند انرژی جنبشی یک ماشین) به شکل کمتر مفید و پراکنده (مانند انرژی گرمایی توزیع شده در لنت ترمز، دیسک چرخ و هوای اطراف) است. این انرژی گرمایی آنقدر پراکنده میشود که جمعآوری و بازگرداندن آن به شکل مکانیکی با صرفه اقتصادی ممکن نیست.
پاورقی
1 نیروهای اتلافی (Dissipative Forces)
2 اصطکاک (Friction)
3 نیروهای پایستار (Conservative Forces)
4 بازده (Efficiency)
