شتاب منفی: وقتی ترمز میگیری چه اتفاقی میافتد؟
شتاب منفی چیست؟ نگاهی دقیقتر به تعریف
در زندگی روزمره، وقتی میگوییم ماشین «شتاب گرفت» معمولاً منظورمان این است که سرعتش افزایش یافته. اما در علم فیزیک، شتاب1 معنای گستردهتری دارد. شتاب به هر تغییر در سرعت یک جسم گفته میشود و این تغییر میتواند هم در اندازه سرعت و هم در جهت آن باشد.
وقتی اندازه سرعت کم میشود، میگوییم جسم شتاب منفی دارد. به این شتاب منفی، کندشوندگی2 یا ترمز نیز میگویند. برای مثال، هنگامی که راننده پدال ترمز را فشار میدهد، سرعت خودرو کاهش مییابد و خودرو شتاب منفی را تجربه میکند. برخلاف تصور رایج، شتاب منفی لزوماً به معنای حرکت به عقب یا جهت منفی نیست، بلکه به معنای کاهش سرعت در همان جهت حرکت است.
تفاوت شتاب مثبت، منفی و صفر در حرکت
برای درک بهتر شتاب منفی، مفید است که آن را در کنار سایر حالات شتاب قرار دهیم. حرکت یک جسم را میتوان بر اساس نوع شتاب آن به سه دسته کلی تقسیم کرد.
| نوع حرکت و شتاب | تغییرات سرعت | مثال ملموس |
|---|---|---|
| حرکت تندشونده (شتاب مثبت) | اندازه سرعت به تدریج افزایش مییابد. | فشردن پدال گاز خودرو از حالت ایستاده. |
| حرکت کندشونده (شتاب منفی) | اندازه سرعت به تدریج کاهش مییابد. | فشردن پدال ترمز خودرو در حال حرکت. |
| حرکت یکنواخت (شتاب صفر) | اندازه سرعت ثابت میماند (تغییر نمیکند). | رانندگی با سرعت ثابت 60 کیلومتر بر ساعت در یک جاده مستقیم. |
نکته جالب این است که اگر جسمی با سرعت ثابت حرکت کند، حتی اگر این سرعت زیاد باشد (مثلاً 400 کیلومتر بر ساعت)، چون سرعت تغییر نمیکند، شتاب آن صفر است. این نشان میدهد در فیزیک، تغییر سرعت مهم است، نه صرفاً مقدار آن.
محاسبه شتاب منفی: از فرمول تا مثال عملی
بیایید با یک مثال عددی، محاسبه شتاب منفی را قدمبهقدم تمرین کنیم. این دقیقاً شبیه مسائلی است که ممکن است در کتاب درسی یا امتحان با آن روبهرو شوید.
سناریو: خودرویی با سرعت 72 کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است. راننده ترمز میگیرد و پس از 2 ثانیه، سرعت به 54 کیلومتر بر ساعت میرسد. شتاب متوسط خودرو چقدر است؟
گام اول: تبدیل واحد به استاندارد
واحد استاندارد سرعت در فیزیک، متر بر ثانیه (m/s) است. برای تبدیل کیلومتر بر ساعت به متر بر ثانیه، عدد را در 1000 (تبدیل کیلومتر به متر) تقسیم بر 3600 (تبدیل ساعت به ثانیه) میکنیم، که تقریباً میشود تقسیم بر 3.6.
- سرعت اولیه: 72 ÷ 3.6 = 20 m/s
- سرعت ثانویه: 54 ÷ 3.6 = 15 m/s
گام دوم: جایگذاری در فرمول
زمان (t) 2 ثانیه است. فرمول شتاب متوسط: $a = \frac{v_2 - v_1}{t} = \frac{15 - 20}{2}$
گام سوم: محاسبه و تفسیر نتیجه
$a = \frac{-5}{2} = -2.5$
پاسخ نهایی: شتاب متوسط خودرو -2.5 m/s² است. علامت منفی، همان شتاب منفی یا کاهش سرعت را تأیید میکند. این عدد نشان میدهد که در هر ثانیه، سرعت خودرو به طور متوسط 2.5 متر بر ثانیه کم شده است.
شتاب منفی در زندگی روزمره: از ورزش تا سفر
شتاب منفی پدیدهای انتزاعی و محدود به کتابهای درسی نیست. اگر با دقت به اطراف نگاه کنیم، نمونههای زیادی از آن را میبینیم که درک مفهوم را ملموستر میکنند.
| موقعیت | چه اتفاقی میافتد؟ | نقش شتاب منفی |
|---|---|---|
| ترمز دوچرخه | با فشار دادن اهرم ترمز، لاستیکها کند میشوند. | اصطکاک بین لنت و چرخ، ایجاد شتاب منفی میکند و سرعت را کاهش میدهد. |
| پرتاب توپ به سمت بالا | توپ پس از پرتاب، کمکم کند شده و در بالا میایستد. | نیروی گرانش3 زمین شتاب منفی ایجاد میکند و سرعت توپ را میکاهد تا به صفر برسد. |
| فرود آمدن هواپیما | هواپیما در آسمان سرعت خود را برای نشستن کاهش میدهد. | خلبان با کم کردن قدرت موتور و استفاده از ملخهای معکوس یا اسپویلرها، شتاب منفی ایجاد میکند. |
| ایستادن در اتوبوس | وقتی اتوبوس ترمز میگیرد، مسافران به جلو خم میشوند. | بدن مسافر میخواهد با سرعت قبلی به حرکت ادامه دهد (لختی4)، اما اتوبوس با شتاب منفی کند میشود. |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1شتاب (Acceleration): نرخ تغییرات سرعت نسبت به زمان. واحد آن در سیستم متریک، متر بر مجذور ثانیه (m/s²) است.
2کندشوندگی (Deceleration/Retardation): واژههای دیگری که برای توصیف شتاب منفی به کار میروند و بر کاهش سرعت تأکید دارند.
3نیروی گرانش (Gravity): نیروی جاذبهای که زمین به همه اجسام نزدیک خود وارد میکند و باعث شتاب منفی در جسمی که به سمت بالا پرتاب شده و شتاب مثبت در جسم سقوطکننده میشود.
4لختی (Inertia): تمایل یک جسم برای حفظ حالت حرکت یا سکون خود. هنگامی که اتوبوس ناگهان ترمز میگیرد (شتاب منفی)، لختی بدن مسافر باعث میشود او به حرکت به سمت جلو ادامه دهد.
