نیروی محرک و نیروی مقاوم: نبرد دائمی در اطراف ما
نیروی محرک و نیروی مقاوم چیست؟
برای درک این دو نیرو، یک موقعیت ساده را تصور کنید: میخواهید یک جعبهی کتاب سنگین را روی زمین بلند کنید و آن را روی میز بگذارید. نیرویی که شما با ماهیچههای دستتان برای بلند کردن جعبه وارد میکنید، همان نیروی محرک است. در مقابل، نیروی وزن جعبه (نیروی جاذبهی زمین که جعبه را به پایین میکشد)، نیروی مقاوم است که شما باید بر آن غلبه کنید. این نبرد ساده، اصل پایهای بسیاری از فعالیتهای ماست.
ماشینهای ساده: قهرمانان غلبه بر نیروی مقاوم
گاهی نیروی مقاوم آن قدر بزرگ است که نمیتوانیم به تنهایی بر آن غلبه کنیم. اینجاست که ماشینهای ساده3 به کمک ما میآیند. ماشین ساده، وسیلهای است که کار ما را آسانتر میکند. آنها یا اندازهی نیروی محرک مورد نیاز ما را کاهش میدهند، یا جهت اعمال نیرو را تغییر میدهند، یا مسافتی که نیرو در آن عمل میکند را افزایش میدهند. چند نمونه از معروفترین ماشینهای ساده:
| نام ماشین ساده | نیروی محرک چیست؟ | نیروی مقاوم چیست؟ | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| اهرم4 (مثل الاکلنگ) | نیرویی که شما به یک سر اهرم وارد میکنید. | وزن جسمی که در سر دیگر اهرم قرار دارد. | بلند کردن سنگی بزرگ با یک میلهی بلند و تکیهگاه. |
| سطح شیبدار5 | نیرویی که برای هل دادن جسم روی سطح وارد میکنید. | وزن جسم (نیروی جاذبه). | رانندگی در جادهی کوهستانی به جای صعود عمودی. |
| قرقره6 ثابت | نیرویی که شما برای کشیدن طناب به پایین وارد میکنید. | وزن جسم آویزان. | پرچمهای مدرسه که با کشیدن طناب به پایین، بالا میروند. |
| گوه7 (مثل تیغهی چاقو) | نیرویی که روی پشت گوه (دستهی چاقو) وارد میشود. | مقاومت مادهای که میخواهیم بریده یا شکافته شود. | برش نان با چاقو، فرو کردن نوک مداد در پاککن. |
محاسبهی ساده: رابطهی نیرو، جرم و وزن
در بیشتر موارد، نیروی مقاوم همان وزن جسم است. وزن با جرم8 جسم رابطهی مستقیم دارد. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، وزن آن و در نتیجه نیروی مقاوم بزرگتر است. رابطهی بین وزن ($W$)، جرم ($m$) و شتاب جاذبهی زمین ($g$) به صورت زیر است:
در این فرمول:
- $W$ وزن بر حسب نیوتن (N)
- $m$ جرم بر حسب کیلوگرم (kg)
- $g$ شتاب جاذبه (تقریباً 10 متر بر مجذور ثانیه یا N/kg)
مثال: یک کیف با جرم 5 کیلوگرم را در نظر بگیرید. نیروی وزن (مقاوم) آن برابر است با: $W = 5 \times 10 = 50\ N$. این یعنی برای بلند کردن ثابت این کیف از روی زمین، باید حداقل نیروی محرک 50 نیوتن وارد کنید.
نیروی مقاوم فقط وزن نیست!
اگرچه وزن یک نیروی مقاوم رایج است، اما همیشه اینطور نیست. نیروی مقاوم میتواند هر نیرویی باشد که در جهت مخالف حرکت یا هدف ما عمل میکند. به این مثالها توجه کنید:
- کشیدن یک جعبه روی زمین: نیروی محرک، نیروی کشش شماست. نیروی مقاوم اصلی در اینجا نیروی اصطکاک9 بین کف جعبه و زمین است که میخواهد مانع حرکت شود.
- پارو زدن در قایق: نیروی محرک، نیرویی است که پاروزن به آب وارد میکند. نیروی مقاوم، مقاومت آب در برابر حرکت پارو است.
- باز کردن درب با دستگیره: نیروی محرک، نیرویی است که شما به دستگیره وارد میکنید. نیروی مقاوم، نیروی اصطکاک در لولای در است.
همانطور که میبینید، شناسایی درست نیروی مقاوم در هر موقعیت، کلید درک صحیح از چگونگی عملکرد وسایل است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: برای شروع حرکت و غلبه بر سکون، بله. نیروی محرک باید از نیروی مقاوم اولیه بزرگتر باشد. اما پس از شروع حرکت یکنواخت (مثلاً هل دادن یک چرخدستی با سرعت ثابت)، ممکن است نیروی محرک فقط برای مقابله با نیروهای مقاومت کوچکتر (مثل اصطکاک) کافی باشد و لزوماً از وزن کل جسم بزرگتر نباشد. هدف ماشینهای ساده اغلب رساندن نیروی محرک ما به این حد لازم است.
پاسخ: خیر. طبق قانون پایستگی انرژی، ماشینهای ساده کار را کم یا زیاد نمیکنند، فقط آن را آسانتر میکنند. وقتی با یک ماشین ساده (مثل سطح شیبدار) نیروی محرک کمتری وارد میکنید، مجبورید همان کار را در مسافت طولانیتری انجام دهید. در واقع ماشینهای ساده بین نیرو و مسافت معامله میکنند: یا نیروی کمتر در مسافت بیشتر، یا نیروی بیشتر در مسافت کمتر.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. جرم (kg) مقدار مادهی تشکیلدهندهی جسم است و ثابت میماند. وزن (N) یک نیرو است که در اثر جاذبه به جرم وارد میشود. آنچه به عنوان نیروی مقاوم (مثلاً در بلند کردن) با آن روبرو میشویم، وزن جسم است، نه جرم آن. پس دقت کنید که نیروها را بر حسب نیوتن در نظر بگیریم.
پاورقی
1 نیروی محرک (Effort Force): نیرویی که برای انجام یک کار بر روی یک جسم یا سیستم اعمال میشود.
2 نیروی مقاوم (Resistance Force): نیرویی که در مقابل نیروی محرک قرار میگیرد و باید بر آن غلبه شود؛ مانند وزن یک جسم یا نیروی اصطکاک.
3 ماشین ساده (Simple Machine): وسیلهای مکانیکی پایه که با تغییر اندازه یا جهت نیرو، انجام کار را آسانتر میکند.
4 اهرم (Lever): یک میلهی صلب که حول یک نقطهی ثابت به نام تکیهگاه میچرخد.
5 سطح شیبدار (Inclined Plane): یک سطح صاف که با افق زاویه دارد و برای بالا بردن اجسام با اعمال نیروی کمتر استفاده میشود.
6 قرقره (Pulley): چرخی با محور ثابت و شیاری در لبه که طناب در آن قرار میگیرد و جهت نیرو را تغییر میدهد.
7 گوه (Wedge): وسیلهای با یک لبهی تیز که برای شکافتن، برش یا نگهداری اجسام استفاده میشود.
8 جرم (Mass): مقدار مادهی تشکیلدهندهی یک جسم که واحد آن کیلوگرم است.
9 اصطکاک (Friction): نیرویی که در مقابل حرکت نسبی دو سطح در تماس با هم مقاومت میکند.
10 کار (Work): در فیزیک، هنگامی رخ میدهد که یک نیرو باعث جابجایی جسم در جهت اعمال نیرو شود. واحد آن ژول (J) است.
