نیروی خالص: کلید درک حرکت
نیرو چیست و چگونه جمع میشود؟
نیرو یک کشش یا رانش است. وقتی شما به یک توپ ضربه میزنید، روی آن نیرو وارد میکنید. در زندگی روزمره، معمولاً چندین نیرو همزمان بر یک جسم اثر میگذارند. به عنوان مثال، وقتی کتابی روی میز قرار دارد، دو نیرو بر آن وارد میشود: نیروی وزن[3] (به سمت پایین) و نیروی عمود سطح[4] (به سمت بالا).
برای به دست آوردن اثر کلی این نیروها، باید آنها را به صورت برداری جمع کنیم. یعنی علاوه بر بزرگی (مقدار عددی)، جهت آنها را هم در نظر بگیریم. نیروهای همجهت با هم جمع و نیروهای مخالف جهت از هم کم میشوند.
مثال ساده: دو نفر یک ماشین خراب را با طناب میکشند. اگر هر دو در یک جهت و با نیروی یکسان 500 N بکشند، نیروی خالص در آن جهت برابر 1000 N است. اما اگر نفر سوم در جهت مخالف با نیروی 200 N بکشد، نیروی خالص برابر 1000 - 200 = 800 N در جهت کشش اولیه خواهد بود.
حالتهای مختلف نیروی خالص و اثر آن بر جسم
نتیجهٔ نهایی جمع نیروها (نیروی خالص) میتواند یکی از سه حالت زیر را ایجاد کند. این حالتها مستقیماً با قانون اول نیوتن مرتبط هستند.
| شرح حالت | نیروی خالص | نتیجه بر روی حرکت جسم | مثال عینی |
|---|---|---|---|
| همه نیروها همدیگر را خنثی کنند. | $ \vec{F}_{net} = 0 $ | تعادل: جسم اگر ساکن بوده، ساکن میماند و اگر در حال حرکت بوده، با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه میدهد. تعادل ایستا/پویا | کتاب روی میز، یا خودرویی که با سرعت ثابت روی جادهٔ صاف حرکت میکند. |
| نیروها در یک جهت غالب باشند. | $ \vec{F}_{net} \neq 0 $ | شتاب: جسم در جهت نیروی خالص شتاب میگیرد (سرعتش تغییر میکند). بزرگی شتاب با نیرو رابطهٔ مستقیم دارد. حرکت شتابدار | شروع به حرکت یک دوچرخه، افتادن یک سیب از درخت. |
| نیروی خالص در خلاف جهت حرکت باشد. | $ \vec{F}_{net} $ مخالف جهت سرعت | کاهش سرعت (شتاب منفی): جسم متحرک کند شده یا در نهایت متوقف میشود. | دوچرخهسواری که ترمز میکند، یا کشیدن یک جعبه روی زمین خشن. |
از محاسبهٔ نیروی خالص تا پیشبینی حرکت: ارتباط با قانون دوم نیوتن
اگر نیروی خالص صفر نباشد، جسم شتاب میگیرد. قانون دوم نیوتن[5] رابطهٔ دقیق بین این سه کمیت (نیروی خالص، جرم[6] و شتاب[7]) را بیان میکند:
که در آن:
$ \vec{F}_{net} $ = نیروی خالص (بر حسب نیوتن[8]، N)
$ m $ = جرم جسم (بر حسب کیلوگرم، kg)
$ \vec{a} $ = شتاب جسم (بر حسب متر بر مربع ثانیه، m/s^2)
این قانون مانند یک نقشهٔ راه عمل میکند: اگر نیروهای وارد بر یک جسم و جرم آن را بدانیم، میتوانیم شتاب آن را محاسبه کنیم و بالعکس.
مثال کاربردی: فرض کنید جرم یک ماشین اسباببازی 0.5 kg است و شما آن را با نیروی 2 N به جلو میرانید. اگر اصطکاک[9] قابل چشمپوشی باشد، نیروی خالص همان 2 N است. شتاب ماشین برابر است با: $ a = \frac{F_{net}}{m} = \frac{2}{0.5} = 4 \, m/s^2 $ یعنی سرعت ماشین در هر ثانیه 4 m/s افزایش مییابد.
نیروی خالص در عمل: تحلیل حرکت در سطح شیبدار
یک مثال کلاسیک برای درک نیروی خالص، بررسی سُرخوردن یک جسم روی سطح شیبدار است. روی یک جسم در سطح شیبدار، حداقل دو نیرو اثر میکنند: نیروی وزن (به سمت پایین مرکز زمین) و نیروی عمود سطح (عمود بر سطح). اما وزن را میتوان به دو مؤلفه تجزیه کرد: یکی موازی سطح (که باعث پایین رفتن جسم میشود) و یکی عمود بر سطح (که با نیروی عمود سطح خنثی میشود).
در این حالت، نیروی خالص موازی سطح، همان مؤلفهٔ موازی وزن است (اگر اصطکاک را نادیده بگیریم). طبق قانون دوم نیوتن، این نیرو به جسم شتاب میدهد و جسم با سرعت فزایندهای به پایین سطح میلغزد. هرچه شیب سطح بیشتر باشد، مؤلفهٔ موازی وزن بزرگتر و در نتیجه شتاب جسم بیشتر میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] نیروی خالص (Net Force): برآیند یا حاصل جمع برداری تمام نیروهای وارد بر یک جسم.
[2] قوانین حرکت نیوتن (Newton's Laws of Motion): سه قانون فیزیکی که رابطه بین نیرو و حرکت اجسام را توصیف میکنند.
[3] وزن (Weight): نیروی جاذبهای که زمین (یا هر جرم آسمانی دیگر) به یک جسم وارد میکند.
[4] نیروی عمود سطح (Normal Force): نیروی واکنشی که یک سطح به جسمی که بر آن قرار دارد، وارد میکند. این نیرو همیشه عمود بر سطح است.
[5] قانون دوم نیوتن (Newton's Second Law): شتاب یک جسم با نیروی خالص وارد بر آن نسبت مستقیم و با جرم آن نسبت معکوس دارد.
[6] جرم (Mass): مقدار مادهٔ تشکیلدهنده یک جسم، که معیاری از مقاومت آن در برابر شتاب گرفتن (لَختی) است.
[7] شتاب (Acceleration): نرخ تغییرات سرعت یک جسم نسبت به زمان.
[8] نیوتن (Newton, N): یکای استاندارد نیرو در سیستم SI. یک نیوتن نیرویی است که به جرم یک کیلوگرم، شتاب یک متر بر مربع ثانیه میدهد.
[9] اصطکاک (Friction): نیروی مقاومتی است که در مقابل حرکت نسبی دو سطح در تماس با هم ایجاد میشود.
[10] شتاب مرکزگرا (Centripetal Acceleration): شتابی که جهت آن به سمت مرکز یک مسیر دایرهای است و باعث تغییر جهت سرعت میشود.
