نیروی تکیهگاه: نام دیگر نیروی عمودی سطح
نیروی تکیهگاه چیست و چگونه عمل میکند؟
فرض کنید یک کتاب سنگین را روی میز قرار میدهید. کتاب به سمت پایین (به طرف زمین) کشیده میشود. اما آیا میافتد؟ خیر. زیرا میز مانع از سقوط آن میشود. میز در واقع نیرویی به سمت بالا به کتاب وارد میکند. این نیرو دقیقاً نیروی تکیهگاه یا نیروی عمودی سطح نام دارد. «عمودی» به این معنی است که این نیرو همیشه بر سطح تماس عمود است (یعنی اگر سطح افقی باشد، نیرو به سمت بالاست و اگر سطح دیوار باشد، نیرو به صورت افقی و عمود بر دیوار است).
این نیرو یک نیروی تماسی است؛ یعنی فقط وقتی وجود دارد که جسم با سطح در تماس باشد. به محض اینکه کتاب را از روی میز بردارید، این نیرو ناپدید میشود.
نیروی تکیهگاه و وزن: یک رابطه تعادلی
وقتی جسمی روی یک سطح افقی ساکن است، در حالت تعادل قرار دارد. این یعنی نیروهای وارد بر آن یکدیگر را خنثی میکنند. در این حالت، فقط دو نیروی اصلی وارد میشود:
- نیروی وزن4 ($W$): به سمت پایین و به مرکز زمین.
- نیروی تکیهگاه ($N$): به سمت بالا و عمود بر سطح.
برای جسم ساکن روی سطح افقی، اندازه این دو نیرو با هم برابر اما جهت آنها مخالف است. میتوان نوشت:
این برابری دلیل سکون جسم است. اگر نیروی تکیهگاه نبود، جسم تحت تأثیر وزن خودش سقوط میکرد. این یک مثال ساده از قانون اول نیوتن5 است.
| ویژگی | نیروی وزن (W) | نیروی تکیهگاه (N) |
|---|---|---|
| نوع نیرو | نیروی دوردست (نیروی جاذبه) | نیروی تماسی |
| جهت | همیشه به سمت مرکز زمین (پایین) | همیشه عمود بر سطح و به سمت جسم |
| عامل ایجاد | جرم جسم و شتاب گرانش | واکنش سطح به فشار جسم |
| نماد علمی | $W = m \times g$ | $N$ |
نیروی تکیهگاه در زندگی روزمره: از ایستادن تا رانندگی
این نیرو همهجا حاضر است، حتی وقتی شما ایستادهاید! کف پاهای شما بر زمین فشار وارد میکند و زمین در پاسخ، نیروی تکیهگاهی به سمت بالا به پاهای شما وارد میکند که مانع از فرو رفتن شما در زمین میشود.
مثالهای ملموس:
- قفسه کتاب: هر طبقه از قفسه، نیروی تکیهگاه به کتابهای روی خود وارد میکند. اگر این نیرو نبود، همه کتابها از طبقه پایینتر رد میشدند و روی زمین میریختند!
- صندلی: وقتی روی صندلی مینشینید، صندلی نیروی عمودی به بدن شما وارد میکند. اگر صندلی کهنه باشد و این نیرو را به خوبی تأمین نکند، میشکند و شما سقوط میکنید.
- لگو بازی: قطعات لگو دقیقاً به دلیل وجود نیروی تکیهگاه بین سطوح تماسشان روی هم میایستند و برج میسازند.
- تایر ماشین: جاده به تایرهای ماشین نیروی تکیهگاه وارد میکند. این نیرو نه تنها ماشین را نگه میدارد، بلکه برای حرکت به جلو (نیروی اصطکاک) نیز ضروری است.
چه زمانی نیروی تکیهگاه تغییر میکند؟
اندازه نیروی تکیهگاه همیشه برابر وزن نیست. در شرایط خاص تغییر میکند:
- سطح شیبدار: روی سطح شیبدار (مثل سرسره)، نیروی تکیهگاه هنوز هم عمود بر سطح است، اما جهت آن دیگر مستقیم به بالا نیست. در این حالت، اندازه نیروی تکیهگاه از وزن جسم کمتر میشود. بخشی از وزن جسم، آن را به پایین شیب میکشد.
- افزودن نیروی دیگر: اگر شما به جسمی که روی میز است، از بالا به پایین فشار وارد کنید، میز باید نیروی تکیهگاه بیشتری ایجاد کند تا هم وزن جسم و هم نیروی دست شما را خنثی کند. پس $ N > W $ میشود.
- کشیدن جسم به بالا: اگر جسمی را که روی میز است، با یک نخ به سمت بالا بکشید، نیروی تکیهگاه کاهش مییابد. چون نخ بخشی از وزن را تحمل میکند. اگر نخ تمام وزن را تحمل کند، نیروی تکیهگاه صفر میشود و جسم با سطح تماس دارد اما فشاری به آن وارد نمیکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، دقیقاً یکی هستند. نیروی تکیهگاه نمونهای از قانون سوم نیوتن است. وقتی جسمی (مثل کتاب) بر سطح (مثل میز) نیروی وزن وارد میکند (کنش)، سطح در مقابل، نیروی برابر و مخالفی به جسم وارد میکند (واکنش). این واکنش سطح، همان نیروی تکیهگاه است.
پاسخ: قطعاً بله. وجود نیروی تکیهگاه به حرکت جسم بستگی ندارد، بلکه به تماس جسم با سطح بستگی دارد. در مثال ماشین، جاده نیروی عمودی به تایرها وارد میکند تا ماشین را نگه دارد. اگر این نیرو نبود، ماشین در جاده فرو میرفت.
پاسخ: این گزاره فقط برای جسم ساکن روی یک سطح کاملاً افقی و در غیاب هر نیروی عمودی دیگر درست است. در موارد زیر نادرست است:
- سطح شیبدار
- فشار دادن جسم از بالا به پایین
- کشیدن جسم به بالا با طناب
- قرار گرفتن جسم در آسانسور در حال حرکت (اگر آسانسور با شتاب بالا برود، نیروی تکیهگاه کف آسانسور بیشتر از وزن شما میشود!)
پاورقی
1نیروی تکیهگاه (Support Force): نیرویی که یک تکیهگاه یا سطح به جسم وارد میکند.
2نیروی عمودی سطح (Normal Force): در فیزیک، به معنای «عمود» است. از آنجا که این نیرو همیشه بر سطح تماس عمود است، به آن نیروی نرمال میگویند.
3قانون سوم نیوتن (Newton's Third Law): برای هر کنشی، یک واکنش برابر و مخالف وجود دارد.
4نیروی وزن (Weight): نیروی جاذبهای که زمین (یا هر جرم آسمانی دیگر) به یک جسم وارد میکند. از ضرب جرم جسم در شتاب گرانش به دست میآید ($W=mg$).
5قانون اول نیوتن (Newton's First Law - Law of Inertia): اگر برآیند نیروهای وارد بر یک جسم صفر باشد، اگر ساکن باشد ساکن میماند و اگر با سرعت ثابت در حرکت باشد، به حرکت خود ادامه میدهد.
6نیروی عکسالعمل (Reaction Force): نیروی واکنشی که مطابق قانون سوم نیوتن در پاسخ به یک نیروی کنشی ایجاد میشود.
