حرکت از سکون: راز شروع با سرعت صفر
قانون اینرسی: داستان تنبلی اجسام!
همهچیز از یک قانون ساده اما قدرتمند شروع میشود: قانون اول حرکت نیوتن[1] که به آن قانون اینرسی[1] یا لختی نیز میگویند. این قانون میگوید: یک جسم تمایل دارد حالت حرکتی خود را حفظ کند. یعنی اگر ساکن است، دوست دارد ساکن بماند و اگر در حال حرکت است، دوست دارد با همان سرعت و جهت به حرکتش ادامه دهد، مگر اینکه یک نیروی خارجی به آن وارد شود و او را مجبور به تغییر حالت کند .
این "مقاومت در برابر تغییر" همان اینرسی است. جرم جسم معیاری برای اندازهگیری اینرسی است؛ هرچه جسمی سنگینتر باشد (جرم بیشتری داشته باشد)، اینرسی آن بیشتر است و برای به حرکت درآوردن یا متوقف کردن آن به نیروی بیشتری نیاز داریم .
از سکون تا حرکت: نقش نیرو و شتاب
حالا سوال اصلی اینجاست: چگونه بر اینرسی غلبه کرده و یک جسم ساکن را حرکت میدهیم؟ پاسخ در قانون دوم حرکت نیوتن[1] نهفته است. این قانون رابطه بین نیرو، جرم و شتاب را بیان میکند.
فرمول معروف این قانون به صورت زیر است:
که در آن:
F نیروی خالص وارد بر جسم (بر حسب نیوتن)
m جرم جسم (بر حسب کیلوگرم)
a شتاب جسم (بر حسب متر بر مجذور ثانیه)
وقتی میخواهیم جسمی با جرم (m) را از حالت سکون (سرعت اولیه صفر) به حرکت درآوریم، باید به آن نیرو (F) وارد کنیم. این نیرو به جسم شتاب (a) میدهد. شتاب یعنی میزان تغییر سرعت در واحد زمان. بنابراین، جسم ابتدا با سرعت کم حرکت میکند و به تدریج با ادامه اعمال نیرو، سرعتش افزایش مییابد .
| نوع حرکت | سرعت اولیه | شتاب (a) | مثال |
|---|---|---|---|
| حرکت از حالت سکون | 0 | مثبت و ثابت | شروع دویدن یک دونده از خط شروع |
| حرکت با سرعت ثابت | یک مقدار ثابت | 0 | حرکت ماشین روی جاده صاف با پدال گاز ثابت |
| حرکت با شتاب ثابت | میتواند صفر یا غیرصفر باشد | مثبت و ثابت | سقوط آزاد یک توپ از ارتفاع (شتاب جاذبه) |
خواندن داستان حرکت از روی نمودار سرعت-زمان
یکی از بهترین ابزارها برای درک حرکت از سکون، رسم و تحلیل نمودار سرعت-زمان است. در این نمودار، زمان روی محور افقی و سرعت روی محور عمودی نشان داده میشود .
شیب خط در این نمودار، نمایانگر شتاب جسم است:
- خط افقی (شیب صفر): سرعت ثابت را نشان میدهد که یعنی شتاب صفر است.
- خط راست با شیب مثبت: حرکت با شتاب ثابت را نشان میدهد. هرچه شیب تندتر باشد، شتاب بیشتر است.
حالا فرض کنید نمودار سرعت-زمان یک خودرو که از حالت سکون شروع به حرکت میکند، یک خط راست با شیب ثابت باشد. این به معنای آن است که خودرو با شتاب ثابت در حال افزایش سرعت است. در این حالت، سرعت خودرو در هر لحظه از رابطه زیر به دست میآید :
که در آن:
v سرعت در زمان t
a شتاب ثابت
t زمان از شروع حرکت
توجه: چون سرعت اولیه صفر است، در فرمول حذف شده.
از نظریه تا عمل: مثالهایی از پیرامون ما
بیایید اصول یادگرفته شده را در چند سناریوی واقعی مرور کنیم:
۱. پرتاب توپ به بالا: وقتی توپ را به صورت عمودی به بالا پرتاب میکنید، درست در بالاترین نقطه مسیر، سرعت آن برای یک لحظه صفر میشود. سپس تحت تأثیر نیروی گرانش (نیروی خارجی) دوباره شتاب میگیرد و به سمت پایین حرکت میکند. این شتاب، ثابت و برابر شتاب گرانش زمین ($9.8 m/s^2$) است .
۲. شروع حرکت اتوبوس: وقتی اتوبوس از ایستگاه حرکت میکند، ابتدا باید بر اینرسی خود غلبه کند. موتور نیرو وارد میکند و به اتوبوس شتاب مثبت میدهد. اگر شما ایستاده باشید، احساس میکنید به عقب متمایل میشوید؛ چون طبق قانون اینرسی، بدن شما میخواهد در حالت سکون بماند، در حالی که کف اتوبوس به سمت جلو شتاب گرفته است .
۳. دویدن از روی سکو به داخل استخر: دونده روی سکو ساکن است. برای پرش، با عضلات پاهایش به سکو نیرو وارد میکند (کنش). طبق قانون سوم نیوتن، سکو نیز نیرویی برابر و مخالف به او وارد میکند (واکنش) . این نیروی واکنش است که به دونده شتاب میدهد و او را از حالت سکون به حرکت درمیآورد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 اینرسی (Inertia): خاصیت ذاتی اجسام برای مقاومت در برابر تغییر حالت سکون یا حرکت یکنواخت مستقیمالخط .
2 قانون اول نیوتن (Newton's First Law of Motion): قانون لختی یا اینرسی .
3 قانون دوم نیوتن (Newton's Second Law of Motion): رابطه نیرو، جرم و شتاب به صورت F=ma .
4 شتاب (Acceleration): نرخ تغییرات سرعت نسبت به زمان .
5 نمودار سرعت-زمان (Velocity-Time Graph): نموداری که تغییرات سرعت یک متحرک را بر حسب زمان نشان میدهد .
