علوم پایه، فیزیک ۲۲۷ بازدید

نیرو عامل خارجی است که سبب حرکت جسم یا اجسام می‌شود. در حالت کلی، دو نوع نیروی تماسی و غیرتماسی وجود دارند. نیروهای گرانشی، الکتریکی، مغناطیسی، هسته‌ای و اصطکاک مثال‌هایی از انواع نیرو هستند. در این مطلب در مورد انواع نیرو در فیزیک با ذکر مثال‌های مختلف صحبت خواهیم کرد.

فهرست مطالب این نوشته

انواع نیرو در فیزیک چیست ؟

اگر توپ والیبال خود را پس از مسابقه‌ای هیجان‌انگیز بر روی زمین قرار دهید و بخوابید، آیا پس از بیدار شدن، توپ را در همان مکان قبلی می‌بینید؟ به طور قطع بله. توپ نمی‌تواند خودبه‌خود حرکت کند، مگر آن‌که شما آن را حرکت دهید. اما چه عاملی توپ را به حرکت در می‌آورد؟ نیرو. در ادامه، ابتدا نیرو و سپس انواع نیرو را در حالت کلی تعریف می‌کنیم.

نیرو چیست ؟

به فشار دادن یا کشیدن جسمی دلخواه، نیرو می‌گوییم. کشش یا فشار از برهم‌کنش اجسام با یکدیگر به وجود می‌آیند. در فیزیک، نیرو به صورت زیر تعریف می‌شود:

به کشش یا فشار وارد شده بر جسمی به جرم دلخواه که سبب تغییر سرعت آن می‌شود، نیرو گفته می‌شود.

نیرو عامل خارجی است که سبب تغییر حالت سکون یا حرکت جسم می‌شود. نیرو اندازه و بزرگی دارد، بنابراین یک بردار است. جهتی که نیرو اعمال می‌شود، به عنوان جهت نیرو شناخته می‌شود.

اثر نیرو چیست ؟

حرکت در فیزیک را به صورت تغییر موقعیت نسبت به زمان، تعریف می‌کنیم. در حالت کلی، حرکت به دو صورت توصیف می‌شود:

  1. تغییر سرعت
  2. تغییر جهت
نیرو چیست

نیرو اثرهای مختلفی دارد که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

  • نیرو می‌تواند جسم در حال سکون را به حرکت درآورد.
  • نیرو می‌تواند سرعت حرکت جسم متحرک را کاهش دهد یا آن را متوقف کند.
  • نیرو می‌تواند سرعت حرکت جسم را افزایش دهد.
  • نیرو می‌تواند علاوه بر تغییر جهت جسمی متحرک، شکل یا اندازه آن را نیز تغییر دهد.

فرمول نیرو چیست ؟

فرمول کلی نیرو به صورت حاصل‌ضرب جرم جسم در شتاب حرکت آن محاسبه می‌شود. رابطه ریاضی نیرو به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$F = ma$$

در رابطه فوق، m جرم جسم و a شتاب حرکت آن است. واحد یا یکای نیرو برابر نیوتن است:

$$1 \ N = \frac{Kgm}{s^2}$$

نیروها به دو دسته کلی نیروهای تماسی و غیرتماسی تقسیم می‌شوند. در جدول زیر این دسته‌بندی نشان داده شده است.

نیروهای تماسی نیروهای غیرتماسی
نیروی اصطکاک نیروی گرانش
نیروی کششی نیروی الکتریکی
نیروی عمودی سطح نیروی مغناطیسی
نیروی مقاومت هوا نیروی الکترومغناطیسی
نیروی اعمال شده نیروی هسته‌ای قوی
نیروی فنر نیرو هسته‌ای ضعیف

نیروهای تماسی و غیرتماسی به صورت شماتیک در تصور زیر نشان داده شده‌اند.

نیروهای تماسی و غیر تماسی

در ادامه، در مورد هر یک از انواع نیرو در طبیعت صحبت خواهیم کرد. در ابتدا در مورد انواع نیرو از نوع تماسی توضیح می‌دهیم.

انواع نیروی تماسی چیست ؟

به نیروی اعمال شده بین دو جسمی که با یکدیگر در تماس فیزیکی هستند، نیروی تماسی گفته می‌شود. مطابق با جدول فوق، نیروی اصطکاک، نیروی کششی، نیروی عمودی سطح، نیروی مقاومت هوا، نیروی اعمال شده و نیروی فنر، انواع نیروی تماسی هستند. در ادامه، در مورد هر یک از این انواع نیرو توضیح می‌دهیم.

نیروی اصطکاک چیست ؟

نیروی اصطکاک یکی از مهم‌ترین انواع نیرو در زندگی روزمره است. این نیرو هنگامی به وجود می‌آید که دو سطح با یکدیگر در تماس باشند و در خلاف جهت یکدیگر حرکت کنند. اصطکاک از حرکت آسان دو جسم نسبت به یکدیگر جلوگیری می‌کند. به طور معمول، بافت سطح بر نیروی اصطکاک تاثیر می‌گذارد. دانشمندان معتقد هستند که نیروی اصطکاک، ناشی از جاذبه الکترومغناطیسی بین ذرات باردار دو سطحِ در تماس است. در تعریف نیرو گفتیم که جهت و اندازه دارد. جهت نیروی اصطکاک همواره در خلاف جهت حرکت دو جسم نسبت به یکدیگر است. بنابراین، نیروی اصطکاک تمایل به کاهش سرعت حرکت اجسام دارد.

اندازه این نیرو به جنس ماده سازنده دو سطح بستگی دارد. هر چه سطوح زبرتر باشند، اصطکاک بزرگ‌تر خواهد بود. همچنین، اصطکاک گرما تولید می‌کند. به عنوان مثال، هنگامی که در زمستان دست‌های خود را محکم به یکدیگر می‌مالید، احساس گرما خواهید کرد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا نیروی اصطکاک مفید است؟ بله. اگر نیروی اصطکاک وجود نداشت، راه رفتن بر روی زمین بسیار سخت می‌شد.

گاهی مقدار نیروی اصطکاک باید کاهش یابد. به عنوان مثال، برای کاهش اصطکاک بین قسمت‌های مختلف موتور ماشین از روغن استفاده می‌شود. روغن از تماس مستقیم قسمت‌های مختلف م

انواع نیرو

وتور با یکدیگر و تولید گرما جلوگیری می‌کند.

محاسبه نیروی اصطکاک

نیروی اصطکاک به دو عامل بستگی دارد:

  • نیروی عمودی سطح
  • ضریب اصطکاک که به جنس سطوح در تماس بستگی دارد.

هنگامی که جسمی بر روی سطحی قرار دارد، از طرف سطح نیرویی بر آن وارد می‌شود. جهت این نیرو به سمت بالا و عمود بر سطح است. اگر جسم بر روی سطح ساکن باشد، نیروی عمودی سطح برابر و در خلاف جهت نیروی وزن است. در غیر این صورت و بر طبق قانون دوم نیوتن، جسم باید حرکت کند.

$$N= mg$$

ضریب اصطکاک سطحی به جسم و جنس آن بستگی دارد. اگر جسم بر روی سطح ساکن باشد، ضریب اصطکاک از نوع ایستایی است و با $$\mu_s$$ نشان داده می‌شود. همچنین، اگر جسم بر روی سطح حرکت کند، ضریب اصطکاک آن از نوع جنبشی است و با $$\mu_k$$ نشان داده خواهد شد.

نیروی اصطکاک با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$$F=\mu N$$

نیروی اصطکاک یکی از انواع نیرو در زندگی روزمره است که در ادامه به اختصار در مورد آن توضیح می‌دهیم.

فیلم آموزشی مرتبط

انواع نیروی اصطکاک چیست ؟

در مطالب فوق عنوان شد که نیروی اصطکاک به دو عامل نیروی عمودی سطح و ضریب اصطکاک بستگی دارد. همچنین، ضریب اصطکاک به دو نوع ضریب اصطکاک ایستایی و جنبشی تقسیم شد. در نتیجه، نیروی اصطکاک با توجه به این‌که جسم در حالت سکون قرار دارد یا با سرعت مشخصی بر روی سطح حرکت می‌کند، به دو نوع کلی نیروی اصطکاک جنبشی و ایستایی تقسیم می‌شود. ذکر این نکته مهم است که نوع دیگری نیروی اصطکاک به نام نیروی اصطکاک غلتشی نیز وجود دارد که به اجسام در حال غلتش مربوط می‌شود.

نیروی اصطکاک جنبشی

در حالت عادی وقتی به سطح میزی نگاه کنید، تصور خواهید کرد که سطح میز صاف و بدون پستی و بلندی است. اما آیا این‌گونه است؟ خیر. در مقیاس میکروسکوپی، سطوح به ظاهر صاف، از دره‌ها و تپه‌های متعددی تشکیل شده‌اند. این دره‌ها و تپه‌ها به قدری کوچک هستند که با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند، اما به هنگام محاسبه حرکت نسبی بین دو سطحِ در تماس، تفاوت بزرگی را ایجاد خواهند کرد.

یکی از سرراست‌ترین تعریف‌های نیروی اصطکاک جنبشی عبارت است از:

به نیرویی که از حرکت دو جسم بر روی یکدیگر جلوگیری می‌کند، نیروی اصطکاک جنبشی گفته می‌شود.

این نیرو تنها بر جسم در حال حرکت (نه حرکت غلتشی) وارد می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که جعبه‌ای را بر روی زمین حرکت می‌دهید، نیروی اصطکاک جنبشی در خلاف جهت حرکت جعبه بر آن وارد خواهد شد، بنابراین برای آن‌که بتوانید جعبه را به مکان موردنظر برسانید باید به طور پیوسته باید بر آن نیرویی با مقداری مشخص وارد کنید. آیا تاکنون به این پرسش فکر کرده‌اید که اگر نیروی اصطکاک وجود نداشت، چه اتفاقی می‌افتاد؟ انجام بسیاری از کارها مانند حرکت جعبه بر روی زمین، راه رفتن، دویدن، دوچرخه‌سواری و رانندگی به سختی ممکن بود.

سطح زیر میکروسکوپ

محاسبه نیروی اصطکاک جنبشی

در بیشتر حالت‌ها، محاسبه نیروی اصطکاک جنبشی بسیار راحت است. این نیرو با $$f_k$$ نشان داده می‌شود و با استفاده از رابطه زیر به‌دست خواهد آمد:

$$f_k = \mu_k \ N$$

در رابطه فوق، $$N$$ برابر نیروی عمودی سطح و $$\mu_k$$ برابر ضریب اصطکاک جنبشی است.

اصطکاک غلتشی

اصطکاک یکی از مهم‌ترین انواع نیرو است که هر روز با آن مواجه می‌شویم. به طور معمول، به هنگام حل مسائل فیزیک، از نیروهایی مانند مقاومت هوا و اصطکاک صرف‌نظر می‌کنیم، اما اگر به دنبال محاسبه دقیق حرکت اجسام بر روی سطح یا به هنگام پرتاب هستیم باید این نیروها را در محاسبات لحاظ کنیم.

نیروی اصطکاک غلتشی نوعی اصطکاک جنبشی است که از عنوان مقاومت غلتشی نیز برای آن استفاده می‌شود. این نیرو بر اجسام غلتان وارد خواهد شد. این نیرو همانند نیروی اصطکاک جنبشی در خلاف جهت غلتش بر جسم وارد می‌شود. ذکر این نکته مهم است که مقدار مقاومت در حرکت غلتشی از حرکت لغزش کمتر است. در نتیجه، بر روی سطح یکسان، ضریب اصطکاک غلتشی کمتر از ضریب اصطکاک جنبشی است.

فرایند غلتش (غلتش خالص بدون لغزش) با لغزش بسیار متفاوت است. حرکت غلتشی چرخ زیر را در نظر بگیرید.

حرکت غلتشی

همان گونه که در انیمیشن فوق ملاحظه می‌شود، در هر لحظه از زمان، نقطه جدیدی در تماس با سطح قرار می‌گیرد. در نتیجه، در یک لحظه خاص و به طور‌ آنی نیروی وارد شده، شبیه نیروی اصطکاک ایستایی عمل خواهد کرد.

عامل‌های مختلفی بر اصطکاک غلتشی تاثیر می‌گذارند:

  • زبری سطح
  • بزرگی یا کوچکی جسم

محاسبه نیروی اصطکاک غلتشی

فرمول اصطکاک غلتشی مشابه رابطه نوشته شده برای نیروی اصطکاک جنبشی است، اما در این‌جا ضریب اصطکاک جنبشی با ضریب اصطکاک غلتشی جایگزین شده است. نیروی اصطکاک غلتشی را با ‌$$f_{k,r}$$ نشان می‌دهیم:

$$f_{k,r} = \mu_{k,r} N$$

در رابطه فوق $$mu_{k,r}$$ ضریب اصطکاک غلتشی است.

مثال محاسبه نیروی اصطکاک لغزشی

ماشینی به جرم ۱۵۰۰ کیلوگرم بر روی خیابانی آسفالت حرکت می‌کند. اگر ضریب اصطکاک لغزشی برابر ۰/۰۲ باشد، مقدار مقاومت لغزشی را به‌دست آورید.

پاسخ: نیروی اصطکاک لغزشی با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$f_{k,r} = \mu_{k,r} N$$

در این مثال، اتومبیل به صورت افقی در جاده حرکت می‌کند، بنابراین نیروی خالصی در جهت عمود بر آن وارد نمی‌شود. بر طبق قانون دوم نیوتن، نیروی عمودی سطح برابر وزن اتومبیل است:

$$f_{k,r} = \mu_{k,r} N \\ = \mu _ {k,r} mg \\ = 0.02 \times 1500 \ kg \times 9.81 \ \frac{m}{s^2} = 294 \ N$$

نیروی اصطکاک ایستایی

نیروی اصطکاک ایستایی اندکی با نیروی اصطکاک جنبشی متفاوت است. در ابتدا باید به این نکته توجه داشته باشید که این نیرو بر جسم ساکن وارد می‌شود. همچنین، مقدار این نیرو ثابت نیست. به عنوان مثال، جعبه ساکنی را بر روی میزی در نظر بگیرید. برای به حرکت درآوردن جعبه باید به آن نیرویی با مقدار F وارد کنید. مقدار نیروی اصطکاک ایستایی با توجه به مقدار نیروی ‌F، تغییر خواهد کرد. این نیرو در خلاف جهت نیروی ‌F بر جعبه وارد می‌شود. در نهایت، با افزایش نیروی F و رسیدن آن به مقدار مشخصی، جعبه شروع به حرکت خواهد کرد. ادامه حرکت جعبه از به حرکت درآوردن آن آسان‌تر است. در نتیجه، نیروی اصطکاک جنبشی از بیشینه نیروی اصطکاک ایستایی کمتر خواهد بود.

نیروی اصطکاک ایستایی

اگر جعبه دیگری بر روی جعبه اول قرار داده شود (افزایش مقدار نیروی عمودی سطح)، برای به حرکت در آوردن آن باید نیروی بیشتری وارد شود. همچنین، اگر سطح میز روغن‌کاری شود (کاهش مقدار ضریب اصطکاک ایستایی)، جعبه با نیروی کمتری شروع به حرکت خواهد کرد.

محاسبه نیروی اصطکاک ایستایی

بیشینه مقدار نیروی اصطکاک ایستایی با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$f_{s,max} = \mu_s N$$

در رابطه فوق، $$f_{s,max}$$ برابر بیشینه مقدار نیروی اصطکاک ایستایی است. به عنوان مثال، فرض کنید ماشین لباسشویی بر روی کف آشپزخانه قرار دارد. بیشینه نیروی اصطکاک ایستایی برابر ۵۰ نیوتن به‌دست آمده است. اگر برای به حرکت درآوردن ماشین لباسشویی نیرویی برابر ۳۰ نیوتن بر آن وارد کنید، بیشینه نیروی اصطکاک ایستایی برابر ۳۰ نیوتن خواهد بود. اگر مقدار نیروی وارد شده را به ۴۰ نیوتن افزایش دهید، مقدار نیروی اصطکاک ایستایی نیز به ۴۰ نیوتن افزایش خواهد یافت. این حالت تا جایی ادامه می‌یابد که مقدار نیروی وارد شده از بیشینه اصطکاک ایستایی بزرگ‌تر باشد. در این حالت، ماشین لباسشویی شروع به حرکت خواهد کرد.

چگونه نیروی اصطکاک را بدون دانستن ضریب اصطکاک به دست می‌آوریم ؟

بیشتر افراد به طور شهودی با نیروی اصطکاک آشنا هستند. هنگامی که می‌خواهیم جسمی را بر روی سطحی هل دهیم، تماس بین جسم و سطح از حرکت آسان جسم جلوگیری خواهد کرد. دیدیم برای محاسبه نیروی اصطکاک به نیروی عمودی سطح و ضریب اصطکاک نیاز داریم. اما گاهی مقدار ضریب اصطکاک را نمی‌دانیم، آیا می‌توانیم مقدار نیروی اصطکاک را به‌دست آوریم؟ با انجام آزمایش زیر مقدار این نیرو به راحتی محاسبه می‌شود.

محاسبه نیروی اصطکاک به صورت تجربی

سطح کوچکی را انتخاب و سطح شیبداری از همان جنس بر روی آن درست می‌کنیم. به عنوان مثال، اگر سطح مورد نظر کاشی‌کاری شده است، برای درست کردن سطح شیبدار از کاشی کوچکی استفاده می‌کنیم. به این نکته توجه داشته باشید که ارتفاع و زاویه سطح شیبدار (قرار دادن چند کتاب) قابل تغییر باشد.

هرچه زاویه سطح شیبدار بیشتر باشد، نیروی جاذبه بیشتری بر جسم وارد خواهد شد. نیروی جاذبه به دو مولفه عمود بر سطح شیبدار و موازی سطح شیبدار تقسیم می‌شود. نیروی موازی سطح شیبدار جسم را به سمت پایین می‌کشاند. نیروی اصطکاک نیز موازی سطح شیبدار و در خلاف جهت مولفه موازی نیروی وزن قرار دارد. در یک نقطه، نیروی حاصل از جاذبه بر نیروی اصطکاک غلبه خواهد کرد. در این حالت، بیشینه نیروی اصطکاک و در نتیجه ضریب اصطکاک ایستایی، به‌دست می‌آیند.

جسمی را بالای سطح شیبداری با زاویه اولیه کوچک قرار می‌دهیم. مقدار زاویه به اندازه‌ای است که جسم از بالای سطح شیبدار به پایین آن حرکت نخواهد کرد. سپس با افزودن کتاب یا اجسام مختلف، زاویه سطح را افزایش می‌دهیم. زاویه را تا جایی افزایش می‌دهیم که جسم در آستانه حرکت قرار بگیرد ولی از بالای سطح به سمت پایین حرکت نکند. برای یافتن زاویه‌ای که جسم در آستانه حرکت قرار بگیرد، به دقت بالایی نیاز است. پس از یافتن زاویه مناسب، چه می‌کنیم؟

سطح شیبدار با زاویه متغیر به صورت زیر است.

سطح شیبدار

ارتفاع سطح شیبدار و فاصله نقطه انتهایی سطح از محل تکیه به کتاب‌ها را اندازه می‌گیریم. با سطح شیبدار ساخته شده می‌توان همانند مثلث قائم‌الزاویه‌ رفتار کرد. با دانستن زاویه سطح شیبدار، مقدار ضریب اصطکاک ایستایی به‌دست خواهد آمد. بنابراین داریم:

$$\mu_s = tan \theta$$

همچنین، با استفاده از تعریف تانژانت یک زاویه داریم:

تانژانت

بنابراین، با دانستن ارتفاع و فاصله تکیه‌گاه از انتهای سطح شیبدار و برابر قرار دادن دو رابطه فوق، مقدار ضریب اصطکاک ایستایی به‌دست خواهد آمد.

در مبحث انواع نیرو در مورد نیروی اصطکاک و انواع آن صحبت کردیم. در ادامه، در مورد نیروی کششی صحبت خواهیم کرد.

فیلم آموزشی مرتبط

نیروی کششی چیست ؟

نیروی کششی یکی از انواع نیرو در فیزیک است. تمام اجسام فیزیکی در تماس، بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. با توجه به نوع اجسامِ در تماس، نام‌های گوناگونی به این نیروهای تماسی می‌دهیم. اگر یکی از اجسام در تماس، طناب، کابل، نخ یا زنجیر باشد، به نیروی تماسی، نیروی کششی می‌گوییم. طناب‌ها و کابل‌ها برای اعمال نیرو در مسافت‌های کوتاه یا بلند، بسیار مناسب هستند. به عنوان مثال، هنگامی که اتومبیلی در میان گل گیر کرده است، با بستن طنابی محکم به آن و کشیدن طناب، می‌توان آن را از میان گل‌ولای بیرون کشید. توجه به این نکته مهم است که این نیرو کششی یکی از پرکاربردترین انواع نیرو در زندگی روزمره است.

محاسبه نیروی کششی

برای محاسبه نیروی کششی، رابطه خاصی وجود ندارد. برای یافتن نیروی کششی، گام‌های زیر طی می‌شود:

  • نیروهای وارد شده بر جسم را رسم می‌کنیم. اگر جسمی توسط چند طناب از نقطه ای آویزان شده باشد، تمام نیروهای کششی از طرف طناب‌ها را بر جسم رسم می‌کنیم.
  • قانون دوم نیوتن را می‌نویسیم. بر طبق این قانون، برآیند نیروهای وارد بر جسم برابر حاصل‌ضرب جرم جسم در شتاب حرکت آن است. اگر جسم در حال سکون باشد، برآیند نیروهای وارد بر آن برابر صفر خواهد بود.
  • قانون دوم نیوتن را برای برآیند نیروهای کششی می‌نویسیم.

مثال محاسبه نیروی کششی

جسمی به جرم m توسط دو طناب محکم شده است و در حالت سکون قرار دارد. نیروهای وارد شده بر جسم را رسم کنید.

نیروی کشش

پاسخ: نیروهای وارد شده بر جسم عبارت هستند از:

  • نیروی وزن
  • نیروی کشش $$T_1$$
  • نیروی کشش $$T_2$$

تصویر زیر نیروهای وارد شده بر جسم را نشان می‌دهد:

مثال نیروی کشش

از آنجایی که جسم در حال سکون قرار دارد، برآیند نیروهای وارد بر آن در راستای افقی و عمودی برابر صفر است.

نیروی کشش در یک بعد

در طناب و نخ یک‌بعدی، نیروی کشش کمیتی اسکالر است. مقدار نیروی کشش نمی‌تواند منفی باشد. اگر این نیرو برابر صفر باشد، طناب شل خواهد بود. در بیشتر مسئله‌های فیزیکی از جرم طناب صرف‌نظر می‌شود، بنابراین، نیروی کشش در سراسر طناب یکسان خواهد بود.

تاکنون، در مبحث انواع نیرو در طبیعت، در مورد دو نیروی اصطکاک و کششی صحبت کردیم. در ادامه، نیروی عمودی سطح را توضیح خواهیم داد.

نیروی عمودی سطح چیست ؟

نیروی عمودی سطح یکی از انواع نیرو است و در محاسبه اصطکاک نقش مهمی را ایفا می‌کند. این نیرو بر سطح در تماس عمود است. آیا تاکنون به دیوار یا اجسام جامد دیگر برخورد کرده‌اید؟ چرا پس از برخورد با دیوار احساس درد می‌کنید؟ برای این درد می‌توانید نیروی عمودی سطح را سرزنش کنید. نیروی عمودی سطح نیرویی است که سطوح برای جلوگیری از فرو رفتن در یکدیگر، بر هم وارد می‌کنند. این نیرو، نیروی تماسی است. اگر دو سطح با یکدیگر تماس فیزیکی نداشته باشند، نیروی عمودی بر یکدیگر وارد نخواهند کرد. به عنوان مثال، اگر جعبه و میز با یکدیگر در تماس نباشند، نیروی عمودی بر یکدیگر وارد نمی‌کنند.

نیروی عمودی سطح

اگر دو سطح (مانند جعبه و میز) با یکدیگر در تماس باشند، بر یکدیگر نیروی عموی وارد می‌کنند. این نیروی بر سطوح تماس، عمود است. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که سطوح بی‌جان از کجا متوجه می‌شوند که باید نیروی عمودی بر یکدیگر وارد کنند؟

هنگامی که شخصی جسمی را از روی میز یا زمین برمی‌دارد، باید به آن نیرویی به سمت بالا وارد کند. اما درک این موضوع سخت است که جسم بی‌جانی مانند میز، نیروی عمودی و به سمت بالایی بر جسمی وارد می‌کند. نکته عجیب آن است که اگر جسم سنگینی بر روی میز قرار بگیرد، میز باید نیروی عمودی بزرگ‌تری بر آن وارد کند. اما میز چگونه متوجه این موضوع خواهد شد؟

به طور کلی، میز براساس میزان فشردگی یا تغییر شکل سطح یا میز، می‌داند که چه مقدار نیرو باید اعمال کند. اجسام جامد به هنگام تغییر شکل، به دنبال آن هستند که به شکل اصلی خود برگردند. هرچه وزنی سنگین‌تر باشد، تغییر شکل بیشتر خواهد بود. بنابراین، نیروی بازگرداننده بزرگ‌تر است. در نتیجه، هنگامی که جسمی بر روی میز قرار داده می‌شود، سطح میز به سمت پایین حرکت خواهد کرد تا جایی که نیروی بازیابی برابر نیروی وزن جسم شود.

نیروی عمودی سطح مثال

محاسبه نیروی عمودی سطح

همانند نیروی کششی، رابطه ریاضی مشخصی برای نیروی عمودی سطح وجود ندارد. برای یافتن نیروی عمودی سطح، به شتاب عمود بر سطح توجه می‌کنیم. بنابراین، برای یافتن مقدار نیروی عمودی سطح همواره از قانون دوم نیوتن استفاده خواهیم کرد:

  • نمودار جسم آزاد را رسم و تمام نیروهای وارد شده بر آن را مشخص می‌کنیم.
  • قانون دوم نیوتن را در راستای عمود بر سطح می‌نویسیم.
  • مقدارهای شتاب، جرم جسم . نیروهای وارد شده بر جسم را در رابطه قانون دوم نیوتن قرار می‌دهیم.
  • معادله‌های نوشته شده را به منظور یافتن مقدار نیروی عمودی سطح، حل می‌کنیم.

آیا نیروی عمودی سطح همواره برابر وزن جسم است؟

اگر سطح موردنظر افقی باشد، نیروی عمودی سطح برابر وزن جسم، یعنی $$mg$$ است. اگر سطحِ در تماس افقی نباشد، اندازه نیروی عمودی سطح چه مقدار خواهد بود؟ اگر سطح موردنظر با افق زاویه‌ای برابر $$\theta$$ بسازد، مقدار نیروی عمودی سطح برابر مولفه موازی نیروی وزن با سطح شیبدار، خواهد بود.

نیروی عمودی سطح بر روی سطح شیبدار

نیروی عمودی ناشی از نیروی الکترومغناطیسی است. به عنوان مثال، اگر کتابی بر روی میز قرار داشته باشد، الکترون‌های داخل کتاب به الکترون‌های داخل میز فشار وارد می‌کنند. از آنجایی که الکترون‌ها نمی‌خواهند به یکدیگر نزدیک شوند، کتاب بر روی میز باقی خواهد ماند.

نیروی عمودی سطح با نیروی اصطکاک رابطه بسیار نزدیکی دارد. هر دو نیرو از نوع نیروهای ناپایستار هستند.

مثال نیروی عمودی سطح

برای درک بهتر مفهوم این نیرو به دو مثال زیر توجه کنید:

  1. هنگامی که شخصی بر روی سطح همواری ایستاده است، نیروی عمودی سطح از طرف سطح بر او وارد خواهد شد.
  2. هنگامی که کتابی بر روی میزی قرار گرفته باشد، از طرف میز نیرویی عمود بر کتاب و به سمت بالا وارد می‌شود.

نیروی مقاومت هوا یکی از انواع نیرو است که در ادامه در مورد آن صحبت می‌کنیم.

نیروی مقاومت هوا چیست ؟

نیروی مقاومت هوا یکی از انواع نیرو در طبیعت است. این نیرو بر حرکت جسم و سرعت آن، تاثیر خواهد گذاشت. در پرتاب جسم به سمت بالا و با ثابت در نظر گرفتن همه عامل‌های موثر، حرکت آن باید سهمی باشد. اما مسیر حرکت جسم، سهمی ایده‌ال نیست. در این‌جا، نیروی مقاومت هوا نقش مهمی را ایفا می‌کند.

هنگامی که جسمی در شاره‌ای مانند هوا یا هر مایع دلخواهی حرکت می‌کند، شاره از حرکت آسان جسم جلوگیری خواهد کرد. به این مقاومت، نیروی مقاومت هوا یا شاره گفته می‌شود. اندازه این نیرو به عامل‌های زیادی بستگی دارد. به هنگام راه رفتن، نیروی مقاومت هوا بر فرد تاثیری ندارد و برای او مزاحمتی ایجاد نخواهد کرد. اما اگر در اتومبیل که با سرعت زیاد در حال حرکت است نشسته باشید و دست خود را از پنجره بیرون ببرید، مقاومت هوا را احساس خواهید کرد. در نتیجه، سرعت یکی از عامل‌های مهم و موثر بر مقاومت هوا است.

مقاومت هوا
مقایسه سقوط اجسام در هوا و در خلا و تاثیر مقاومت هوا

سرعت

سرعت و مقاومت هوا با یکدیگر متناسب هستند. به صورت ریاضی، گاهی مقاومت هوا با مربع سرعت متناسب است. بدین صورت، با افزایش سرعت حرکت، مقدار مقامت هوا افزایش خواهد یافت. هنگامی که جسمی شلیک یا پرتاب شود، در لحظه نخست، سرعت آن بیشینه است، بنابراین بیشترین مقدار مقاومت هوا را حس خواهد کرد. نیروی مقاومت هوا جسم را به سمت عقب برمی‌گرداند. به این نیروی رو به عقب نیروی درگ گفته می‌شود.

نیروی درگ

هنگامی که اندازه مقاومت هوا بیشینه باشد، به نیرویی که تولید می‌کند، نیروی درگ می‌گوییم. جهت این نیرو در خلاف جهت حرکت است. نیروی درگ دارای دو مولفه است:

  1. مولفه افقی
  2. مولفه عمودی

اندازه هر مولفه به زاویه حرکت بستگی دارد و ممکن است یک مولفه از مولفه دیگر بزرگ‌تر یا کوچک‌تر باشد. بنابراین، نیروهای جاذبه و درگ در راستای عمودی و افقی، سعی در کاهش سرعت جسم متحرک دارند.

دلیل اصلی آن‌که مسیر حرکت جسمی در هوا سهمی ایده‌ال نیست، وجود نیروی درگ است. چگالی شاره نقش مهمی در اندازه نیروی درگ ایفا می‌کند. عامل مهم دیگر، شکل و اندازه جسم شناور در شاره است.

شکل و اندازه جسم

وزن توپ‌های بیس‌بال و ساحلی به طور تقریبی یکسان است، اما مسیر حرکت توپ بیس‌بال نسبت به توپ ساحلی، بسیار شبیه‌تر به سهمی است. سطح توپ ساحلی از بیس‌بال بزرگ‌تر است و بنابراین اندازه نیروی مقاومت هوا را بیشتر حس خواهد کرد. اگر جسمی از ارتفاع بسیار زیادی نسبت به سطح زمین سقوط کند، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

سقوط از ارتفاع زیاد

هنگامی که جسمی سقوط می‌کند، سرعت اولیه آن برابر صفر است. سقوط آزاد مثال خوبی برای این حالت خواهد بود. اگر فردی از هواپیما به بیرون بپرد، هیچ حرکت افقی ندارد و حرکت عمودی او متاثر از جاذبه و نیروی رو به بالای درگ است. بنابراین، سرعت سقوط فرد برابر با حاصل‌ضرب $$- \ g$$ در زمان خواهد بود.

پس از گذشت مدت زمان مشخصی، نیروی جاذبه و نیروی رو به بالای درگ با یکدیگر برابر می‌شوند. بنابراین، شتاب حرکت فرد برابر صفر و مقدار سرعت بیشینه خواهد شد. به سرعت بیشینه سقوط، سرعت حد گفته می‌شود.

سرعت حد

سرعت حد

سرعت حد نتیجه تعادل نیروهای رو به بالای درگ و نیروی جاذبه است. به عنوان مثال، یک چترباز در موقعیت معمولی (بازوها باز و رو به زمین)، به سرعت حدی در حدود ۱۹۳ کیلومتر بر ساعت می‌رسد. هنگامی‌ که چتر باز می‌شود، سرعت حد به ۱۹ کیلومتر بر ساعت کاهش می‌یابد. بنابراین، عامل‌های زیادی بر سقوط جسم تاثیر می‌گذارند. عوامل قابل کنترل مساحت سطح جسم، زاویه و وزن آن خواهند بود.

نیروی اعمال شده چیست ؟

به نیرویی که از طرف جسمی بر جسم دیگر وارد می‌شود، نیروی اعمال شده می‌گویند. این نیرو از نوع نیروی تماسی یا غیرتماسی است. به مثال‌های زیر در مورد نیروی وارد شده توجه کنید:

  • هنگامی که شخصی جعبه‌ای را بر روی زمین هل می‌دهد، نیرویی برابر F بر آن وارد می‌کند.
  • هنگامی که سبد خرید را در فروشگاه هل می‌دهیم، نیرویی برابر F بر آن وارد خواهیم کرد.

نیروی وارد شده بر جعبه از طرف شخص، سبب حرکت آن می‌شود.

نیروی فنر چیست ؟

فنر یکی از پرکاربردترین وسایل در زندگی روزمره است. این وسیله در ساخت وسیله‌های مختلف بسیاری مورداستفاده قرار می‌گیرد. فنر وسیله‌ای است که می‌تواند با استفاده از نیروی اعمال شده بر آن، تغییر شکل دهد و پس از حذف نیرو به شکل اولیه بازگردد.

فنرها شکل‌ها و انواع متفاوتی دارند، اما فنر فلزیِ ساده یکی از آشناترین و پر استفاده‌ترین انواع فنر است. سیمی که فنر از آن درست می‌شود، خاصیت ارتجاعی دارد. به همین دلیل، فنر پس از تغییر شکل، به حالت اولیه بازمی‌گردد.

فنر فلزی پس از کشیده یا فشرده شدن، نسبت به حالت تعادل خود (اندازه طبیعی) جابجا می‌شود. بنابراین، نیرویی بازگرداننده بر آن وارد و سعی در بازگشت فنر به مکان تعادل آن دارد. به این نیرو، نیروی فنر می‌گوییم. این نیرو از نوع نیروی تماسی است که در مواد ارتجاعی یافت می‌شود.

نیروی فنر

مثال های نیروی فنر

در ادامه به چند مثال در مورد نیروی فنر توجه کنید:

  • آونگ
  • نوار لاستیکی
  • طناب ورزش بانجی جامپینگ
  • کلیدهای صفحه کیبورد (کی‌بورد)
  • ترمز، کلاچ و کمک‌فنر
  • ساعت‌ها و اسباب‌بازی‌ها

رابطه نیروی فنر

حرکت هماهنگ ساده از حرکت تناوبی می‌آید. در حرکت هماهنگ ساده، نیروی بازگرداننده به طور مستقیم متناسب با جابجایی است. علامت‌ نیروی بازگرداننده و جابجایی همواره مخالف یکدیگر است. برای برقراری تساوی بین نیروی فنر و جابجایی از ثابتی به نام k، ثابت فنر، استفاده می‌کنیم:

$$F_x = -\ k x$$

در فنرها، به رابطه نیرو و جابجایی، قانون هوک گفته می‌شود. رابطه بالا هنگامی برقرار است که نقطه تعادل برابر مبدا مختصات باشد. اگر نقطه تعادل را مبدا قرار ندهیم، این رابطه به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$F_x = - \ k (x - x_0)$$

تاکنون در مورد انواع نیرو صحبت کردیم. گفتیم نیروهای تماسی نیروهایی هستند که دو جسم با یکدیگر، تماس فیزیکی دارند. در ادامه، در مورد نیروهای غیرتماسی و انواع آن‌ها صحبت خواهیم کرد.

انواع نیروی غیرتماسی چیست ؟

نیروی غیرتماسی نوعی نیرو است که بدون هیچ تماس فیزیکی با جسم، بر آن وارد می‌شود. نیروهای گرانشی، الکتریکی، مغناطیسی، الکترومغناطیسی، هسته‌ای ضعیف و هسته‌ای قوی از انواع نیرو در طبیعت و از نوع غیرتماسی هستند که در ادامه در مورد هر یک از آن‌ها توضیح می‌دهیم.

فیلم آموزشی مرتبط

نیروی گرانشی چیست ؟

گرانش یکی از معروف‌ترین انواع نیرو در طبیعت است. نیرویی که سیاره یا جسمی دیگر بر اجسام مختلف وارد و آن‌ها را به سمت مرکز خود می‌کشند، نیروی گرانش نام دارد. نیروی گرانش تمام سیاره‌های منظومه شمسی را در مدارهایی به دور خورشید نگه داشته است.

پس از پریدن به سمت بالا، بر روی زمین فرود خواهید آمد. آیا می‌دانید چرا؟ چرا در فضا معلق نمی‌مانید؟ چرا هر جسمی را که به سمت بالا پرتاب می‌کنید، پس از بالا رفتن تا ارتفاع مشخصی به سمت پایین به حرکت خود ادامه می‌دهد؟ پاسخ به تمام سوال‌های پرسیده شده، گرانش است. گرانش نیرویی نامرئی است که اجسام را به سمت یکدیگر می‌کشاند. جاذبه زمین است که سبب نگه داشتن شما بر روی زمین و افتادن اجسام است. اینشتین گرانش را به صورت منحنی در فضا و پیچیده شده به دور جسم، توصیف کرد. اگر جسم دیگر به این منحنی نزدیک شود، توسط آن کشیده و جذب خواهد شد.

گرانش چیست

هر جسم دارای جرمی، جاذبه (گرانش) دارد. هر چه جرم جسمی بزرگ‌تر باشد، گرانش آن نیز بیشتر خواهد بود. نیروی گرانش با افزایش فاصله ضعیف‌تر می‌شود. بنابراین، هر چه اجسام به یکدیگر نزدیک‌تر باشند، نیروی گرانشی وارد شده بر آن‌ها بزرگ‌تر خواهد بود.

گرانش یا جاذبه زمین از جرم آن ناشی می‌شود. تمام جرم زمین بر تمام جرم داخل جسمی دلخواه نیروی گرانشی وارد می‌کند، و در اینجا مفهومی به نام وزن تعریف می‌شود. اگر در سیاره‌ای با جرمی کمتر از زمین زندگی می‌کردید، وزن شما کمتر از وزن روی زمین می‌بود. این ایده شاید بسیار راحت‌تر از رژیم گرفتن و کاهش وزن باشد. با توجه به تصویر زیر، می‌توانید سیاره دلخواه خود برای زندگی را انتخاب کنید. ماه یا سیاره عطارد برای کسی که از اضافه وزن رنج می‌برد و تمام راه‌های ممکن را امتحان کرده است، گزینه مناسبی برای ادامه زندگی به نظر می‌رسد. باید دقت داشته باشد که سیاره مشتری گزینه مناسبی برای زندگی کردن نخواهد بود.

گرانش

زمین به شما نیروی گرانشی وارد می‌کند، همچنین شما نیز به زمین نیرویی برابر و در خلاف جهت وارد خواهید کرد. اما نیروی وارد شده بر زمین از طرف شما بر روی آن تاثیری خواهد گذاشت؟ خیر، زیرا جرم زمین بسیار بیشتر از جرم شما است.

گرانش در جهان

گرانش عامل نگه داشتن سیاره‌ها در مدارهای خود و چرخش آن‌ها به دور خورشید و همچنین چرخش ماه به دور زمین است. نیروی گرانشِ ماه سبب ایجاد جزر و مد در دریاها می‌شود. ستاره‌ها و سیاره‌ها به دلیل نیروی گرانش تشکیل شدند، زیرا مواد سازنده آن‌ها توسط این نیرو یکدیگر را جذب کردند.

گرانش نه تنها بر جرم بلکه بر نور نیز نیرو وارد می‌کند. اینشتین نخستین کسی بود که به این موضوع پی برد. اگر نور چراغ‌قوه را به سمت بالا بتابانید، با اعمال نیروی گرانش بر نور، به طور نامحسوس قرمزتر خواهد شد. این تغییر با چشم قابل مشاهده نیست، اما دانشمندان می‌توانند آن را اندازه بگیرند.

سیاه‌ چاله جرم بسیار زیاد و حجم بسیار کوچکی دارد. تجمع این جرم زیاد در حجم بسیار کم، باعث می‌شود که آن‌ها هر چیزی، حتی نور را در خود نگه دارند.

گرانش بر روی زمین

گرانش یا جاذبه برای ما بسیار مهم است. بدون وجود جاذبه نمی‌توانستیم بر روی زمین زندگی کنیم. گرانش خورشید سبب چرخش زمین به دور آن شده است. این نیرو جو زمین و هوای موردنیاز برای تنفس را نگه داشته است.

مقدار نیروی گرانش در نقاط مختلف زمین متفاوت است. این نیرو در نقاطی با جرم بیشتر در زیر زمین، کمی بیشتر از نقاطی با جرم کمتر است. سازمان فضایی آمریکا، ناسا، با استفاده از دو فضاپیما، تغییرات جاذبه زمین را اندازه‌گیری کرد. همان گونه که در تصویر زیر دیده می‌شود، ناحیه‌های آبی‌رنگ نسبت به ناحیه‌های قرمزرنگ، جاذبه ضعیف‌تری دارند.

گرانش بر روی زمین

قانون جهانی گرانش نیوتن

نیوتن شتاب در ماه را با شتاب اجسام بر روی زمین مقایسه کرد. او معتقد بود که نیروهای گرانش مسئول هر کدام از این شتاب‌ها بر روی ماه یا زمین است. این فیزیک‌دان در مورد رابطه بین فاصله و گرانش به نتیجه بسیار مهمی دست یافت. نیوتن از مقایسه شتاب اجسام بر روی ماه و زمین به این نتیجه رسید که نیروی جاذبه گرانشی بین زمین و اجسام مختلف با فاصله مرکز زمین تا مرکز اجسام، رابطه معکوس دارد. اما فاصله تنها عامل موثر بر این نیرو نیست. به رابطه معروف نیوتن دقت کنید:

$$F_{net} = ma$$

نیوتن می‌دانست که نیروی شتاب دهنده سیب باید به جرم آن وابسته باشد. همچنین، بر طبق قانون سوم نیوتن، همان گونه که زمین بر سیب، نیرویی به سمت پایین (مرکز زمین) وارد می‌کند، سیب نیز نیرویی برابر و در خلاف جهت بر زمین وارد خواهد کرد. در نتیجه، نیروی گرانش (جاذبه) به جرم زمین نیز وابسته است. بنابراین، نیروی گرانش بین زمین و هر جسم دیگری به طور مستقیم با جرم زمین و جرم جسم و به صورت معکوس با مجذور فاصله بین مرکزهای جسم و زمین، متناسب است.

معادله جهانی گرانش

قانون گرانش نیوتن نه تنها بر روی زمین، بلکه بر روی هر سیاره‌ یا ستاره دیگری نیز به کار برده می‌شود. این قانون حتی در مورد هر دو جسم دلخواهی نیز صحیح است. بزرگی این نیرو با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$F_{grav} \sim\frac{m_1 \times m_2}{d^2}$$

از آنجایی که نیروی گرانشی به طور مستقیم با جرم‌های دو جسم برهم‌کنش کننده متناسب است، هر چه جرم جسم‌ها بیشتر باشد، با نیروی گرانشی بزرگ‌تری یکدیگر را جذب خواهند کرد. بنابراین، اگر جرم یکی از اجسام افزایش یابد، نیروی گرانشی نیز افزایش خواهد یافت. اگر جرم یکی از اجسام دو برابر شود، نیروی گرانشی بین آن‌ها نیز دو برابر خواهد شد. اگر جرم هر یک از اجسام دو برابر شود، نیروی گرانشی بین آن‌ها ۴ برابر می‌شود.

نیروی گرانش با مجذور فاصله بین دو جرم برهم‌کنش کننده رابطه عکس دارد. در نتیجه، هر چه فاصله دو جسم بیشتر باشد، نیروی گرانشی ضعیف‌تر خواهد بود. اگر دو جسم از یکدیگر دور شوند، نیروی جاذبه گرانشی بین آن‌ها ضعیف‌تر می‌شود. به عنوان مثال، اگر فاصله بین دو جسم دو برابر شود، اندازه نیروی گرانشی بین آن‌ها یک‌چهارم خواهد شد.

به رابطه نوشته شده برای گرانش دقت کنید. در چه صورتی تساوی برقرار می‌شود؟ تساوی با استفاده از ثابت G به نام ثابت جهانی گرانش برقرار خواهد شد:

$$F_{grav} = \frac{G \times m_1 \times m_2}{d^2}$$

مقدار دقیق این ثابت یک قرن پس از فوت نیوتن توسط «هنری کاوندیش» (Henry Cavendish) محاسبه شد. مقدار G برابر با $$6.673 \times 10^{-11} \ \frac{Nm^2}{kg^2}$$ است.

علت گرانش چیست ؟

توصیف نیوتن در مورد گرانش به اندازه‌ای دقیق بود که سبب کشف سیاره نپتون در اواسط قرن نوزدهم شد، اما قانون نیوتن دقیق نبود. در قرن نوزدهم ستاره‌شناسان به این نکته پی بردند که سیاره عطارد در مدار بیضی شکل خود سریع‌تر از آن‌چه نیوتن پیش‌بینی کرده بود، به دور خورشید حرکت می‌کرد. بنابراین، دانشمندان به شکاف بین قانون نیوتن و قانون طبیعت پی بردند. این معما سال‌ها بعد توسط نظریه نسبیت عام اینشتین حل شد.

فیزیک‌دان‌ها قبل از نظریه معروف اینشتین، در مورد نحوه عملکرد گرانش کمی بیشتر از فیلسوفان قدیمی می‌دانستند. این دانشمندان فهمیدند که تمام اجسام یکدیگر را با استفاده از نیرویی آنی و بی‌نهایت گسترده، جذب می‌کنند. حتی بسیاری از فیزیک‌دان‌های هم‌دوره با اینشتین قانون گرانش نیوتن را به طور کامل پذیرفته بودند. اینشتین در حالی که بر روی نظریه نسبیت خاص کار می‌کرد، به این نکته پی برد که هیچ چیز، حتی نیروی گرانشی، نمی‌تواند آنی از نقطه‌ای به نقطه دیگر برود.

فیزیک‌دان‌ها تا قرن‌ها فضا را به عنوان چارچوبی تهی در نظر می‌گرفتند. نسبیت عام به فضا و زمان روح داد و این دو مفهوم را از حالت ایستا و مانا خارج کرد. بر طبق یافته‌های اینشتین، فضا و زمان با یکدیگر چارچوب جهان را ساختند. او پیشنهاد داد شکل فضا-زمان آن‌ چیزی است که از آن به عنوان گرانش یاد می‌شود. این مفهوم را کمی ساده‌تر توضیح می‌دهیم. سنگ کوچکی را در نظر بگیرید. هنگامی که این سنگ را بر روی دستمال کاغذی قرار می‌دهید، دستمال تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل در اطراف سنگ بسیار بیشتر خواهد بود. نمونه‌ای از این تغییر شکل در محل قرار گرفتن جسم، در تصویر زیر نشان داده شده است.

هنگامی که اجسام دیگر نزدیک یا وارد خمیدگی فضا-زمان اطراف جسم شوند، در امتداد خمیدگی فضا حرکت خواهند کرد.

حقایق جالب در مورد نیروی گرانش

فیلسوفان قدیم نظر متفاوتی در مورد گرانش داشتند. آن‌ها به گرانش به دید یکی از انواع نیرو نگاه نمی‌کردند. از دید آن‌ها، اجسام به طور طبیعی تمایل داشتند که به سمت مرکز زمین حرکت کنند. اکنون می‌دانیم که نیروی گرانش کارهایی فراتر از سقوط اجسام انجام می دهد. این نیرو، دلیل اصلی حرکت سیاره‌ها به دور خورشید و نگه داشتن کهکشان‌ها کنار یکدیگر است. باید به این نکته توجه داشته باشید که گرانش در کنار الکترومغناطیس، نیروی ضعیف و نیروی قوی، یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است.

حقیقت ۱: گرانش ضعیف‌ترین نیروی شناخته شده است

نوع نیروی گرانش جاذبه است. نیروی گرانش به اندازه‌ای قدرتمند است که کهکشان‌ها را کنار یکدیگر نگه می‌دارد، اما اندازه آن به قدری کوچک است که هر روز بر آن غلبه می‌کنیم. به عنوان مثال، هنگامی که کتابی را از روی میز برمی‌داریم، بر نیروی گرانش زمین غلبه کرده‌ایم.

به این مقایسه توجه کنید. نیروی الکتریکی بین پروتون و الکترون در اتم در حدود $$10^{30}$$ برابر قوی‌تر از نیروی جاذبه گرانشی بین آن‌ها است. در حقیقت، گرانش بسیار ضعیف است، اما مقدار آن را نمی‌دانیم.

حقیقت ۲: گرانش و وزن مفهوم یکسانی نیستند 

این عبارت را بارها شنیده‌اید، فضانوردان در ایستگاه فضایی در جاذبه صفر قرار دارند. این عبارت صحیحی نیست. نیروی گرانش بر روی فضانورد در حدود ۹۰ برابر نیروی وارد شده بر روی زمین است. اما فضانوردان بدون وزن هستند، زیرا وزن نیرویی است که زمین بر هر جسمی اعمال می‌کند.

گرانش حقیقت ۲

ترازویی که با آن وزن خود را اندازه می‌گیرید بردارید و سوار آسانسورِ ساختمانی چند طبقه شوید. هنگامی که آسانسور بین طبقات بالا و پایین می‌رود، به عدد نشان داده شده بر روی ترازو دقت کنید. وزنی که مشاهده می‌کنید نوسان خواهد کرد. همچنین، هنگامی که شتاب آسانسور زیاد یا کم می‌شود، آن را احساس خواهید کرد، اما نیروی گرانشی بدون تغییر می‌ماند.

حقیقت ۳: امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می‌کنند

نسبیت عام امواج گرانشی را پیش‌‌بینی کرده است. اگر دو ستاره، دو کوتوله سفید یا دو سیاه‌ چاله در مدارهای متقابلی قفل شده باشند، به آهستگی به یکدیگر نزدیک می‌شوند، زیرا امواج گرانشی سبب از دست رفتن انرژی خواهد شد. در حقیقت، زمین نیز به هنگام چرخش به دور خورشید، امواج گرانشی ساطع می‌کند، اما انرژی اتلافی بسیار کوچک و ناچیز است.

امواج گرانشی

یکی از نتیجه‌های نسبیت آن است که هیچ چیز سریع‌تر از سرعت نور در خلا حرکت نمی‌کند. این نتیجه برای گرانش نیز صادق است. اگر اتفاقی برای خورشید رخ دهد، اثر گرانشی در زمان یکسانی برابر زمان رسیدن نور، به ما می‌رسد.

حقیقت ۴: گرانش ممکن است توسط ذرات بدون جرمی به نام گراویتون حمل شود

در مدل استاندارد، ذرات از طریق ذرات حامل نیرو با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند. به عنوان مثال، فوتون حامل نیروی الکترومغناطیسی است. ذرات فرضی برای گرانش کوانتومی، گراویتون‌ها هستند. گراویتون‌ها مانند فوتون‌ها بدون جرم در نظر گرفته می‌شوند.

حقیقت ۵: گرانش کوانتومی در کمترین طول ممکن ظاهر می‌شود 

گفتیم نیروی گرانشی بسیار ضعیف است، اما هر چه دو جسم به یکدیگر نزدیک‌تر شوند، مقدار این نیرو بزرگ‌تر خواهد شد. سرانجام، در فاصله‌ای به نام طول پلانک، اندازه این نیرو در حدود اندازه نیروهای دیگر می‌شود. این فاصله چندین مرتبه کوچک‌تر از هسته اتم است. در این حالت، اثرهای گرانش کوانتومی به اندازه‌ای قوی است که اندازه گرفته می‌شود، اما برای هر اندازه‌گیری تجربی بسیار کوچک است.

تاکنون در مورد انواع نیرو از نوع تماسی و غیرتماسی صحبت کردیم. در ادامه، در مورد نیروی الکتریکی توضیح خواهیم داد.

نیروی الکتریکی چیست ؟

به برهم‌کنش بین دو جسم باردار، نیروی الکتریکی می‌گوییم. نیروی الکتریکی به دو نوع جاذبه و دافعه تقسیم می‌شود. این نیرو نیز مانند دیگر انواع نیرو می‌تواند با استفاده از قانون حرکت نیوتن نشان داده شود. همچنین، این نیرو از نوع نیروی غیرتماسی است. نیروی الکتریکی مسئول جاذبه یا دافعه اجسام باردار است.

اگر بر جسم بارداری به جرم m نیروی الکتریکی به اندازه F وارد شود، برای توصیف حرکت آن به این صورت عمل خواهیم کرد:

  1. در ابتدا نمودار آزاد جسم را رسم می‌کنیم.
  2. تمام نیروهای وارد شده بر جسم را بر روی نمودار نشان می‌دهیم.
  3. نیروها را در دو راستای عمودی و افقی تجزیه می‌کنیم.
  4. اگر جسم ساکن باشد یا با سرعت ثابت حرکت کند، برآیند نیروهای وارد شده بر آن در راستای عمودی و افقی برابر صفر است.
  5. اگر جسم با شتاب ثابت حرکت کند، قانون دوم نیوتن را در راستای شتاب می‌نویسیم.

انواع نیروی الکتریکی

نوع نیروی الکتریکی بین دو جسم باردار به هم‌نام یا غیر هم‌نام بودن بار الکتریکی آن‌ها بستگی دارد:

  1. اگر بار الکتریکی دو جسم مثبت یا منفی باشد، نیروی الکتریکی بین آن‌ها دافعه خواهد بود. به عبارتی دیگر، دو جسم باردار با بارهای یکسان یکدیگر را دفع می‌کنند.
  2. اگر بار یک جسم مثبت و بار دیگر منفی باشد، نیروی الکتریکی بین آن‌ها از نوع جاذبه است. در واقع، دو جسم باردار با بارهای ناهمسان یکدیگر را جذب می‌کنند.
نیروی الکتریکی

جدا از این‌که نوع بار الکتریکی چه باشد، نیروی الکتریکی بین ذرات باردار وجود خواهد داشت.

رابطه ریاضی نیروی الکتریکی

قانون کولن، قانون تجربی است که اندازه نیروی الکتریکی بین دو ذره باردار را تعیین می‌کند. بر طبق این قانون، نیروی الکتریکی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$\overrightarrow{F} = K\ \frac{q_1q_2}{r^2}\ \overrightarrow{r}$$

در رابطه نوشته شده برای نیروی الکتریکی:

  • $$overrightarrow{F} $$ نیروی الکتریکی است. برای تعیین جهت این نیرو، خطی فرضی بین دو جسم باردار رسم می‌کنیم.
  • $$K$$ ثابت تناسب است که سمت چپ معادله (نیوتن) را به سمت راست آن (کولن و متر) ربط می‌دهد.
  • $$q_1$$ و $$q_2$$ مقدارهای بار الکتریکی در جسم ۱ و ۲ هستند.
  • $$r$$ فاصله بین دو جسم باردار است.
  • $$\overrightarrow{r}$$ برداری در راستای خط متصل کننده دو جسم باردار است.

مثال های نیروی الکتریکی

نیروی الکتریکی در زندگی روزمره بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد:

  • بار داخل لامپ
  • مدارهای الکتریکی
  • شوک الکتریکی که پس از لمس دستگیره در حس می‌شود.

نیروی مغناطیسی چیست ؟

نیروی مغناطیسی یکی از انواع نیرو بین ذرات باردار متحرک است. این نیرو از اثرهای نیروی الکترومغناطیسی است. در مورد نیروی الکترومغناطیسی در بخش بعد توضیح می‌دهیم. نیروی مغناطیسی به دلیل حرکت بارها به وجود می‌آید. نیروی مغناطیسی بین دو جسم باردار که در یک جهت حرکت می‌کنند، از نوع جاذبه است. در مقابل، نیروی مغناطیسی بین دو جسم بارداری که در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند، از نوع دافعه است.

نیروی مغناطیسی

محاسبه نیروی مغناطیسی

دو جسم باردار را در نظر بگیرید. بزرگی نیروی مغناطیسی بین آن‌ها به بزرگی بار هر یک از اجسام و سرعت حرکت هر کدام از آن‌ها بستگی دارد. هر جسم باردار متحرکی، اطراف خود میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. اندازه نیروی مغناطیسی به اندازه این میدان نیز بستگی خواهد داشت. جهت نیرو به جهت نسبی حرکت بار در هر مورد بستگی دارد.

در حالت کلی، برای به‌دست آوردن اندازه نیروی مغناطیسی فرض می‌کنیم که بار $$q$$ با سرعت ثابت $$v$$ در میدان مغناطیسی ثابت $$B$$ حرکت می‌کند. نیروی مغناطیسی با استفاده از نیروی لورنتس توصیف می‌شود:

$$\overrightarrow{F} = q \overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B}$$

با دقت به رابطه بالا، متوجه این نکته خواهیم شد که نیروی مغناطیسی به زاویه بین سرعت حرکت جسم باردار و میدان مغناطیسی بستگی دارد، بنابراین:

  • اگر بار $$q$$ در جهت میدان (زاویه صفر درجه) یا در خلاف جهت آن (زاویه ۱۸۰ درجه) حرکت کند، اندازه نیروی مغناطیسی برابر صفر خواهد بود.
  • اگر زاویه بین میدان و بار ۹۰ درجه باشد، اندازه نیروی مغناطیسی بیشینه است.

نیروی الکترومغناطیسی چیست ؟

نیروی الکترومغناطیسی یکی از انواع نیرو در طبیعت و بسیار مهم است. این نیرو یا نیروی لورنتس در مورد برهم‌کنش ذرات باردار ساکن و متحرک توضیح می‌دهد. چرا به این نیرو، نیروی الکترومغناطیسی گفته می‌شود؟ زیرا این نیرو از دو نیروی الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده است. همان گونه که در مطالب بالا عنوان شد، نیروی الکتریکی بین دو ذره باردار ساکن یا متحرک وجود دارد. نیروی مغناطیسی به دو ذره باردار متحرک وارد می‌شود. ذرات باردار متحرک (مانند ذرات در جریان الکتریکی)، میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. اینشتین برای توسعه نظریه نسبیت از ایده زیر کمک گرفت:

اگر ناظری با ذرات باردار حرکت کند، مشاهده می‌کند که میدان مغناطیسی به میدان الکتریکی و برعکس تبدیل می‌شود.

یکی از حالت‌های خاص نیروی الکترومغناطیسی، قانون کولن است. از آنجایی که محاسبه نیروی وارد شده از طرف هر ذره باردار تکی بر روی ذره باردار دیگر بسیار پیچیده است، فیزیک‌دان‌ها با استفاده از نرم‌افزارهای مختلف، انجام محاسبات را ساده کرده‌اند. این محاسبات ساده شده به پدیده‌های ماکروسکوپیک و روزمره تبدیل می‌شوند:

  • انواع نیرو که هر روز مشاهده می‌کنیم:
    • نیروی کششی یا ارتجاعی
    • اصطکاک
    • نیروی عمودی سطح
    • نیروی درگ هوا
  • شیمی
    • کنار هم قرار گرفتن اتم‌ها
    • پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها و تشکیل مولکول‌‌ها
    • نگه داشتن مواد جامد در یک شکل خاص
  • چسبندگی اشیا چسبناک مانند چسب به سطوح مختلف
  • چسباندن عکس یا نقاشی به در یخچال
  • نیروی اعمال شده بر الکترون‌ها در حلقه سیمی در نزدیکی میدان مغناطیسی متغیر

تاکنون با انواع نیرو در طبیعت مانند نیروی الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی آشنا شدیم. در ادامه در مورد دو نوع نیروی دیگر صحبت خواهیم کرد.

نیروی هسته ای قوی چیست ؟

نیروی هسته‌ای قوی یکی از چهار نیروی بنیادی در طبیعت است. نیروی قوی بین نوکلئون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها) داخل هسته اتم حس می‌شود. گاهی به نیروی هسته‌ای قوی، نیروی قوی یا برهم‌کنش قوی نیز می‌گوییم.

نیروی هسته‌ ای قوی

این نیرو به اندازه‌ای قوی است که بر نیروی دافعه بین دو پروتون با بار مثبت غلبه خواهد کرد. بنابراین، پروتون‌ها و نوترون‌ها در فضای بسیار کوچکی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. نیروی قوی با افزایش فاصله به سرعت از بین می‌رود. سرعت کاهش این نیرو با فاصله، بسیار سریع‌تر از کاهش نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی است. این کاهش به قدری سریع است که آشکارسازی نیروی قوی بیرون از هسته اتم، تقریبا غیرممکن خواهد بود.

اندازه هسته و فاصله‌ عملکرد نیروی قوی بسیار کوچک است. برای درک میزان کوچکی این فاصله به اندازه جهان دقت کنید. اندازه جهان در حدود $$1.3 \times 10^{26}$$ متر، قد انسان‌ها به طور معمول کمتر از ۲ متر و اندازه هسته در حدود $$10^{-15}$$ متر است. جهان در حدود $$10^{41}$$ مرتبه بزرگ‌تر از هسته اتم است.

نیروی هسته ای ضعیف چیست ؟

نیروی هسته‌ای ضعیف (نیروی ضعیف یا برهم‌کنش ضعیف) داخل نوکلئون‌ها اعمال می‌شود. این بدان معنا است که گستره این نیرو حتی از نیروی قوی نیز کمتر است. به دلیل وجود این نیرو، پروتون‌ها طی واپاشی بتا به نوترون تبدیل می‌شوند. نیروی ضعیف نقش مهمی در همجوشی هسته‌ای در خورشید دارد. ذکر این نکته مهم است که نیروی هسته‌ای ضعیف بسیار ضعیف‌تر از نیروی هسته‌ای قوی یا نیروی الکترومغناطیسی و اندکی قوی‌تر از نیروی گرانشی است.

انواع نیروی وارد بر هواپیما را نام ببرید ؟

تاکنون در مورد انواع نیرو در طبیعت و نیروهای تماسی و غیرتماسی صحبت کردیم. در ادامه، انواع نیروی وارد شده بر هواپیما را توضیح خواهیم داد. همان گونه که در تصویر زیر نشان داده شده است، چهار نیروی رانشی، نیروی بالابرنده، نیروی درگ و نیروی وزن، بر هواپیما وارد می‌شوند.

نیروهای وارد شده بر هواپیما

در مورد نیروهای وزن و درگ توضیح دادیم. دو نیروی بالابرنده و رانشی بر نیروهای وزن و درگ غلبه می‌کنند.

انواع نیروهای واندروالسی را نام ببرید ؟

نیروهای واندروالسی به سه دسته کلی الکترواستاتیکی، القایی و پراکندگی تقسیم می‌شوند. در بیشتر کتاب‌های درسی به مهم‌ترین این نیروها یعنی دوقطبی-دوقطبی، دوقطبی القایی و پراکندگی لاندون اشاره شده است.

جمع‌بندی

در این مطلب، در مورد انواع نیرو صحبت کردیم. نیروها به دو دسته کلی نیروهای تماسی و غیرتماسی تقسیم می‌شوند. نیروهای تماسی عبارت هستند از:

  • نیروی اصطکاک
  • نیروی کششی
  • نیروی عمودی سطح
  • نیروی مقاومت هوا
  • نیروی فنر

نیروهای الکتریکی، مغناطیسی، الکترومغناطیسی، هسته‌ای ضعیف، هسته‌ای قوی و گرانشی از انواع نیروهای غیرتماسی هستند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۶ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.