نیوتون: معجزهای در اندازهگیری نیرو
نیرو چیست و چگونه آن را احساس میکنیم؟
هر بار که در را میکشید، توپ را شوت میزنید یا مداد خود را تراش میکنید، در حال وارد کردن نیرو هستید. نیرو در واقع یک کشش یا هل است که میتواند جسمی را به حرکت درآورد، حرکت آن را متوقف کند یا شکل آن را تغییر دهد. اما برای مطالعهٔ علمی، فقط گفتن «هل دادن» کافی نیست. ما باید بتوانیم نیرو را با عدد و واحد اندازهگیری و مقایسه کنیم.
اینجاست که یکای استاندارد به کمک ما میآید. همانطور که برای اندازهگیری طول از متر و برای زمان از ثانیه استفاده میکنیم، برای اندازهگیری بزرگی نیرو از نیوتن استفاده میکنیم که آن را با نماد N نشان میدهیم.
نیوتن از کجا آمد؟ رابطهٔ جادویی نیوتن
اسحاق نیوتن، دانشمند انگلیسی، قوانین حرکت3 را کشف کرد. معروفترین این قوانین میگوید: اگر بخواهیم شتاب4 یک جسم را تغییر دهیم، باید به آن نیرو وارد کنیم. رابطهای که این قانون را به عدد تبدیل میکند، بسیار ساده است:
$F = m \times a$
در این رابطه:
$F$ = نیرو (برحسب نیوتن)
$m$ = جرم5 (برحسب کیلوگرم)
$a$ = شتاب (برحسب متر بر مجذور ثانیه $m/s^2$)
پس یک نیوتن، نیرویی است که به یک جسم با جرم 1 kg (یک کیلوگرم) وارد میشود و به آن شتاب 1 m/s² میدهد. همین رابطه نشان میدهد که چرا یکای نیرو معادل $kg \cdot m/s^2$ است.
| موقعیت | مقدار نیرو (تقریبی) | توضیح |
|---|---|---|
| نشستن یک سیب کوچک (جرم حدود 100 g) روی دست | حدود 1 N | مقدار پایه برای درک یک نیوتن. داستان سیب و نیوتن را یادآوری میکند! |
| فشار دادن کلید کیبورد لپتاپ | حدود 0.5 N | نیازی به نیروی زیاد ندارد. |
| هل دادن یک سبد خرید پر از مایحتاج | بین 20 تا 50 N | بسته به جرم اجناس و اصطکاک چرخها متفاوت است. |
| وزن یک دانشآموز با جرم 40 kg | حدود 400 N | این وزن است، نه جرم! برای محاسبه از شتاب گرانش زمین ($g \approx 10 m/s^2$) استفاده شده: $F = 40 \times 10 = 400 N$. |
ترازوی حمام، نیوتن را نشان میدهد یا کیلوگرم را؟
این یک سؤال مهم است. وقتی روی ترازوی فنری میایستید، ترازو نیروی وزن شما را اندازه میگیرد. این نیرو برحسب نیوتن است. اما بیشتر ترازوها عدد را برحسب کیلوگرم (یا گرم) نشان میدهند. دلیلش این است که ترازو به طور پیشفرض فرض میکند شما روی زمین هستید و شتاب گرانش تقریباً ثابت است ($g \approx 9.8 m/s^2$). بنابراین ترازو نیروی اندازهگیری شده (برحسب نیوتن) را بر عدد $9.8$ تقسیم میکند و جرم شما را برحسب کیلوگرم نشان میدهد. اگر همان ترازو را به ماه ببرید (جایی که گرانش ضعیفتر است)، وزن شما (برحسب نیوتن) کمتر نشان داده میشود، اما جرم شما تغییری نمیکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. کیلوگرم یکای جرم است (مقدار مادهٔ تشکیلدهنده جسم). نیوتن یکای نیرو است. وزن یک نیروی خاص است که در اثر گرانش به جرم وارد میشود. ما وزن را با نیوتن اندازه میگیریم. در گفتگوی روزمره ممکن است بگوییم «وزن من 50 کیلوگرم است»، اما از نظر علمی صحیحتر این است که بگوییم «جرم من 50 کیلوگرم است و وزن من روی زمین حدود 500 نیوتن است».
پاسخ: فرض کنید میخواهید دو سبد خرید کاملاً یکسان (با جرم برابر) را حرکت دهید. اگر یکی از آنها چرخهای روانی داشته باشد (اصطکاک کم) و دیگری چرخهای خراب (اصطکاک زیاد)، برای حرکت دادن سبد دوم باید نیروی بیشتری وارد کنید. این نیروی بیشتر باعث شتاب بیشتر نخواهد شد، بلکه فقط برای غلبه بر اصطکاک و ایجاد همان شتاب اولیه لازم است. بنابراین، مقدار نیرو برای ایجاد یک شتاب مشخص، به جرم جسم بستگی دارد.
پاسخ: بله، یک نیوتن نیروی بسیار کوچکی است. نیروی وزن یک سیب کوچک یا یک شکلات تقریباً برابر یک نیوتن است. بدن انسان جرم نسبتاً زیادی دارد، بنابراین وزن آن (که حاصل ضرب جرم در شتاب گرانش زمین است) عدد بزرگی برحسب نیوتن میشود. این کمک میکند تا بفهمیم ماهیچههای پای ما دائماً در حال اعمال نیرویی به اندازهی صدها نیوتن فقط برای ایستادن هستند!
پاورقی
1 یکای نیرو (Unit of Force): واحد استاندارد برای اندازهگیری کمیت نیرو.
2 اسحاق نیوتن (Isaac Newton): فیزیکدان و ریاضیدان انگلیسی (1643-1727) که قوانین بنیادی حرکت و گرانش را فرمولبندی کرد.
3 قوانین حرکت (Laws of Motion): سه قانون فیزیکی که رابطه بین حرکت یک جسم و نیروهای وارد بر آن را توصیف میکنند.
4 شتاب (Acceleration): نرخ تغییر سرعت یک جسم در واحد زمان.
5 جرم (Mass): مقدار ماده تشکیلدهنده یک جسم که یکای آن کیلوگرم (kg) است.
N: نماد اختصاری نیوتن.
F: نماد متغیر نیرو (از Force).
m: نماد متغیر جرم (از Mass).
a: نماد متغیر شتاب (از Acceleration).
g: نماد شتاب گرانش زمین.
