نیروی عمودی سطح: نیرویی که از زمین زیر پای ما میآید
نیروی عمودی سطح چیست؟
تعریف و ویژگیهای کلیدی
فرض کنید یک کتاب سنگین را بر روی میز چوبی قرار میدهید. کتاب به دلیل جرمی که دارد، توسط زمین جذب میشود و نیرویی به نام وزن به سمت پایین به سطح میز وارد میکند. اگر میز در برابر این نیرو مقاومت نمیکرد، کتاب به راحتی از میان میز عبور میکرد و به زمین میافتاد! اما در واقعیت، میز مانع این سقوط میشود. این مانع بودن، بهصورت وارد کردن یک نیرو به کتاب از سوی سطح میز ظاهر میشود. این نیرو، همان نیروی عمودی سطح1 است.
ویژگیهای بسیار مهم این نیرو عبارتند از:
| ویژگی | توضیح ساده | مثال |
|---|---|---|
| جهت آن عمود بر سطح است | یعنی همیشه به صورت زاویه قائمه (۹۰ درجه) بر سطح تماس وارد میشود. | سطح افقی میز، نیروی عمودی رو به بالا و سطح دیوار، نیروی عمودی افقی وارد میکند. |
| یک نیروی عکسالعمل است | این نیرو در پاسخ به نیرویی که جسم به سطح وارد میکند، به وجود میآید. | وقتی شما پایتان را به زمین فشار میدهید (نیروی عمل)، زمین شما را به بالا هل میدهد (نیروی عکسالعمل). |
| در نقطه تماس وارد میشود | نقطه اثر این نیرو دقیقاً جایی است که جسم با سطح در تماس است. | نیرویی که صندلی به شما وارد میکند، دقیقاً در نقطه تماس کف صندلی با بدن شماست. |
| مقدار آن میتواند تغییر کند | مقدار این نیرو بستگی به نیرویی دارد که جسم به سطح وارد میکند. | اگر یک کولهپشتی سنگین بردارید، نیروی عمودی سطح کف زمین روی پاهای شما بیشتر میشود. |
نیروی عمودی سطح و تعادل نیروها
یکی از مهمترین قوانین فیزیک که در پایه نهم با آن آشنا میشوید، قانون اول نیوتن است: اگر برآیند نیروهای وارد بر یک جسم صفر باشد، آن جسم اگر ساکن باشد، ساکن میماند و اگر در حال حرکت باشد، به حرکت یکنواخت خود روی خط راست ادامه میدهد. نیروی عمودی سطح نقش کلیدی در تعادل ایستایی اجسام ساکن بازی میکند.
به مثال کتاب روی میز برگردیم. بر کتاب دو نیرو وارد میشود:
- نیروی وزن (W): به سمت پایین (به طرف مرکز زمین). مقدار وزن از رابطه $W = m \times g$ به دست میآید که در آن $m$ جرم جسم و $g$ شتاب گرانش زمین (تقریباً ۹.۸ m/s²) است.
- نیروی عمودی سطح (N): که میز به کتاب وارد میکند و به سمت بالا است.
از آنجایی که کتاب ساکن است و حرکت نمیکند، برآیند نیروهای وارد بر آن باید صفر باشد. بنابراین این دو نیرو باید هماندازه و در خلاف جهت یکدیگر باشند:
یعنی در این حالت خاص (سطح افقی و جسم ساکن)، اندازه نیروی عمودی سطح دقیقاً برابر با اندازه وزن جسم است.
این موضوع برای شما هم صادق است. وقتی آرام روی صندلی نشستهاید، نیروی وزن شما به سمت پایین و نیروی عمودی سطح صندلی به سمت بالا بر شما وارد میشوند. چون این دو نیرو برابر هستند، شما در حالت تعادل و سکون هستید.
کشف نیروی نامرئی در زندگی روزمره
بیایید با چند مثال ساده، حضور این نیرو را در اطرافمان ردیابی کنیم:
مثال ۱: راه رفتن و دویدن
وقتی راه میروید، پاهای شما به زمین نیرویی به سمت عقب و پایین وارد میکنند. بر اساس قانون سوم نیوتن (عمل و عکسالعمل)، زمین نیز در پاسخ، نیرویی عمودی بر سطح (که در اینجا کف زمین است) به سمت جلو و بالا به پای شما وارد میکند. جزء رو به جلوی این نیرو است که شما را به جلو میراند. بدون این نیروی عکسالعمل سطح، مانند فضانوردان در خلأ، در جای خود میلغزید و حرکت نمیکردید.
مثال ۲: گذاشتن نردبان به دیوار
هنگامی که نردبان را به دیوار تکیه میدهید، نردبان با دو سطح در تماس است: کف زمین و دیوار. زمین یک نیروی عمودی سطح رو به بالا به پایههای نردبان وارد میکند و دیوار نیز یک نیروی عمودی سطح افقی (عمود بر دیوار) به قسمت بالایی نردبان وارد میکند. این دو نیرو همراه با وزن نردبان، تعادل آن را برقرار میکنند.
مثال ۳: فشار دادن دست به دیوار
کف دست خود را به دیوار فشار دهید. شما نیرویی افقی به دیوار وارد میکنید. در پاسخ، دیوار نیز نیرویی افقی اما در جهت مخالف (عمود بر سطح خود) به دست شما وارد میکند. اگر دیوار این نیرو را وارد نمیکرد، دست شما از درون دیوار عبور میکرد!
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
- نیروی عمودی سطح (N):عمود بر سطح است و مانع از نفوذ جسم به درون سطح میشود. وجود این نیرو شرط لازم برای ایجاد اصطکاک است.
- نیروی اصطکاک (f):موازی با سطح است و در جهت مخالف حرکت (یا تمایل به حرکت) جسم عمل میکند. مقدار ماکزیمم آن به نیروی عمودی سطح و جنس سطح بستگی دارد: $f_{max} = \mu \times N$.
پاورقی
1 نیروی عمودی سطح (Normal Force): نیرویی است که یک سطح بر جسمی که با آن در تماس است وارد میکند و بر سطح عمود است. کلمه "Normal" در ریاضیات و فیزیک به معنای "عمود" است.
2 وزن (Weight): نیروی جاذبهای است که زمین (یا هر جرم آسمانی دیگر) بر یک جسم وارد میکند. از ضرب جرم جسم در شتاب گرانش به دست میآید: $W=mg$.
3 شتاب گرانش (Gravitational Acceleration): شتابی که به دلیل نیروی جاذبه زمین به یک جسم آزاد در خلا نزدیک سطح زمین وارد میشود. مقدار تقریبی آن ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه (m/s²) است.
4 اصطکاک (Friction): نیروی مقاومتی است که در مقابل حرکت نسبی دو سطح در تماس با هم ایجاد میشود و موازی با سطح تماس است.
