نیروی کنش و واکنش: راز پنهان در هر حرکت
درک مفهوم جفت نیرو: کنش همیشه با واکنش همراه است
برای درک این قانون، ابتدا باید به خاطر بسپاریم که نیرو کمیتی است که از برهمکنش2 دو جسم پدید میآید. همیشه حداقل دو جسم درگیر هستند. قانون سوم نیوتن تأکید میکند که این نیروها همیشه به صورت جفت ظاهر میشوند. یک نیرو را «کنش» و نیروی دیگر را «واکنش» مینامیم. اما این نامگذاری فقط برای راحتی است و هیچ کدام بر دیگری اولویت ندارد.
اگر نیروی جسم A بر جسم B را $\overrightarrow{F}_{AB}$ بنامیم، نیروی جسم B بر جسم A به صورت زیر است:
$\overrightarrow{F}_{BA} = -\overrightarrow{F}_{AB}$
علامت منفی ($-$) نشاندهنده جهت مخالف دو نیرو است.
سه ویژگی کلیدی جفت نیروی کنش و واکنش:
- هماندازه هستند: مقدار عددی این دو نیرو دقیقاً برابر است. اگر شما به دیوار نیروی 10 نیوتنی وارد کنید، دیوار نیز همزمان به شما نیروی 10 نیوتنی وارد میکند.
- در یک جهت مخالف عمل میکنند: جهت این دو نیرو دقیقاً عکس یکدیگر است.
- به دو جسم مختلف وارد میشوند: این مهمترین نکته است. نیروی کنش و واکنش هرگز بر یک جسم واحد اثر نمیگذارند. یکی روی جسم اول و دیگری روی جسم دوم اثر میگذارد.
| ویژگی | توضیح | مثال ساده |
|---|---|---|
| هماندازه بودن | مقدار نیرویی که جسم اول به جسم دوم وارد میکند، عیناً همان مقدار نیرویی است که جسم دوم به جسم اول وارد میکند. | فشار دست شما روی میز و فشار میز روی دست شما. |
| جهت مخالف | اگر یکی از نیروها به سمت راست باشد، نیروی دیگر حتماً به سمت چپ است. | وقتی پا به زمین فشار میآورد (رو به پایین)، زمین پا را به بالا میراند. |
| اثر بر دو جسم متفاوت | نیروی کنش بر جسم «ب» و نیروی واکنش بر جسم «الف» اثر میگذارد. آنها بر یک جسم واحد اثر نمیکنند تا همدیگر را خنثی کنند. | نیروی دست شما برای هل دادن دوستتان (روی او) و نیروی عکسالعمل او (روی دست شما). |
نیروی جادویی حرکت: از راه رفتن تا پرتاب موشک
حالا با ذهنیتی که پیدا کردیم، به سراغ مثالهای عینی میرویم. ببینیم این قانون چگونه دنیای اطراف ما را شکل داده است.
مثال ۱: راه رفتن و دویدن
چگونه راه میرویم؟ وقتی میخواهید قدم بردارید، پای خود را به عقب و بر روی زمین فشار میدهید (کنش). در پاسخ، زمین پای شما را به سمت جلو میراند (واکنش). این نیروی پیشرانش از سوی زمین است که شما را به جلو حرکت میدهد. اگر روی یک سطح یخی لغزنده باشید، نمیتوانید نیروی کافی به زمین وارد کنید، بنابراین نیروی واکنش زمین برای راندن شما به جلو نیز ضعیف خواهد بود و در جا میلغزید.
مثال ۲: شنا کردن
شناگر دستهای خود را به عقب و آب را به سمت عقب میکشد یا میراند (کنش بر آب). آب در مقابل، شناگر را به سمت جلو میراند (واکنش بر شناگر). هرچه نیروی بیشتری به آب وارد کنید، آب نیز نیروی بیشتری برای پیشروی شما فراهم میکند.
مثال ۳: پرتاب موشک به فضا
این مثال شاید جذابترین کاربرد قانون سوم نیوتن باشد. موشک با سوزاندن سوخت، گازهای داغی با سرعت بسیار بالا به سمت پایین پرتاب میکند (کنش بر گازها). در مقابل، آن گازهای خروجی، موشک را با نیرویی شدید به سمت بالا میرانند (واکنش بر موشک). جالب است بدانید موشک در خلأ فضا هم کار میکند، زیرا برای اعمال نیروی واکنش نیاز به هوا ندارد؛ فقط نیاز دارد چیزی (گازهای خودش) را به سمتی پرتاب کند.
مثال ۴: نشستن روی صندلی
هماکنون که نشستهاید، بدن شما نیروی وزن خود را به پایین و بر صندلی وارد میکند. صندلی نیز نیرویی برابر اما به سمت بالا به بدن شما وارد میکند. اگر صندلی این نیروی واکنش را وارد نکند (مثلاً بشکند)، شما سقوط خواهید کرد!
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: این رایجترین اشتباه است. برای خنثی شدن، دو نیرو باید بر یک جسم واحد اثر بگذارند. در حالی که نیروهای کنش و واکنش بر دو جسم مختلف اثر میگذارند. مثلاً هنگام راه رفتن، نیروی پای شما بر زمین (کنش) و نیروی زمین بر پای شما (واکنش) هرکدام بر یک جسم متفاوت اثر میگذارند. نیروی واکنش زمین است که مستقیماً بر بدن شما اثر گذاشته و شما را به جلو میبرد.
پاسخ: خیر. اینجا یک جفت نیروی کنش و واکنش وجود دارد، اما بین طناب و دست هر فرد. نیروی دست تیم A بر طناب (به سمت چپ) و نیروی طناب بر دست تیم A (به سمت راست) یک جفت کنش و واکنش هستند. نیروی دست تیم B بر طناب و نیروی طناب بر دست تیم B نیز جفت دیگر. اگر تیمها نیروی مساوی وارد کنند، طناب در حالت تعادل است (قانون اول نیوتن)، اما این با جفت نیروی کنش و واکنش بین دو جسم متفاوت فرق دارد.
پاسخ: بله، نیرویی که ماشین به دیوار وارد میکند، دقیقاً برابر نیرویی است که دیوار به ماشین وارد میکند. اما میزان آسیب، فقط به مقدار نیرو بستگی ندارد، بلکه به مقاومت و جنس ماده نیز وابسته است. دیوار بتنی محکم است و تغییر شکل کمی میدهد، اما بدنه ماشین نرمتر است و برای جذب انرژی خرد میشود. پس با وجود مساوی بودن نیروها، نتیجه برهمکنش میتواند برای دو جسم کاملاً متفاوت باشد.
پاورقی
1قانون سوم نیوتن (Newton's Third Law): از قوانین سهگانه حرکت که توسط آیزاک نیوتن فرمولبندی شد. بیان میکند: «برای هر کنشی، یک واکنش برابر و مخالف وجود دارد.»
2برهمکنش (Interaction): عمل متقابل دو یا چند چیز بر روی یکدیگر. در فیزیک، معمولاً به معنی اعمال نیرو بین دو جسم است.
3نیوتن (Newton): واحد اندازهگیری نیرو در سیستم استاندارد بینالمللی (SI). نیروی مورد نیاز برای شتاب دادن 1 کیلوگرم جرم با اندازه 1 متر بر مجذور ثانیه.
