فرادرسحرکت چیست؟ — به زبان ساده
هر چیزی در این جهان همواره در حال حرکت است حتی اگر بر روی مبل نشسته باشید و مشغول تماشای فیلم باشید باز هم می‌توان گفت در حال حرکت هستید چرا‌که زمین به طور متناوب به دور محور خود و به دور خورشید در چرخش است. وقتی در مورد حرکت یا حالت سکون صحبت می‌کنیم منظورمان نسبت به یک نقطه معین است که به عنوان نقطه مرجع شناخته می‌شود. در این مطلب یاد می‌گیریم که حرکت چیست و به زبان ساده آن را بیان می‌کنیم. در ادامه به بررسی انواع حرکت و قوانین حاکم بر آن در فیزیک می‌پردازیم.
حرکت چیست ؟
حرکت یکی از اصلی‌ترین شاخه‌های مورد مطالعه در فیزیک به شمار می‌رود. این پدیده به معنای تغییر در موقعیت یک جسم نسبت به زمان است.
افتادن یک کتاب از روی میز، دویدن یک دونده، حتی هوایی که تنفس می‌کنیم، همه نشان دهنده حرکت هستند. حتی ذره بنیادی ماده، اتم، نیز به طور ثابت در حال حرکت است. برای توصیف حرکت یک جسم و پاسخ به پرسش حرکت چیست به اصطلاحات زیر نیاز داریم:
مسافت و جابجایی در نگاه اول دو اصطلاح کاملاُ مشابه به نظر می‌رسند، در حالی‌که دو تعریف متفاوت از یکدیگر دارند.
مسافت چیست ؟
«مسافت» (Distance) کل یک جسم به مجموع طول طی شده توسط آن جسم بدون در نظر گرفتن جهت حرکت و نقطه‌های شروع و پایان گفته می‌شود. در نتیجه، مسافت طی شده توسط جسم یک کمیت نرده‌ای است. به منظور درک بهتر مفهوم مسافت به شکل زیر توجه کنید.
همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود دوچرخه سوار ابتدا از نقطه‌ی A پس از طی کردن 4 متر به نقطه B رفته است. سپس، از نقطه B به اندازه ۳ متر به نقطه C رکاب زده است و پس از استراحتی کوتاه و رکاب زدن به اندازه ۵ متر به جایگاه اولیه خود، یعنی نقطه A، بازگشته است. در نتیجه کل مسافت طی شده توسط این دوچرخه سوار به اندازه 12 متر خواهد بود که به صورت زیر حساب شده است.
جابجایی = $$\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}+\overrightarrow{CA}=3+4+5=12$$
در ادامه به بررسی مفهوم جابجایی و تفاوت آن با مسافت می‌پردازیم.
جابجایی چیست ؟
«جابجایی» (Displacement) برخلاف مسافت، یک کمیت برداری و به طور کامل وابسته به جهت حرکت است. مانند هر برداری، جابجایی دارای اندازه و جهت است و نقاط ابتدایی و انتهایی را به هم وصل می‌کند. به عنوان مثال اگر جسمی از نقطه A به نقطه B حرکت کند موقعیتش تغییر کرده است که به این تغییر موقعیت جابجایی گفته می‌شود. شکل زیر را در نظر بگیرید. دوچرخه سوار پس از طی مسیری پبچ در پیچ از نقطه ۱ به نقطه ۲ رسیده است. برداری که نقطه ۱ به ۲ را وصل می‌کند بردار جابجایی است و اندازه آن مقدار مسیری را نشان می‌دهد که دوچرخه سوار جابجا شده است.
حال اگر به تصویر ابتدای متن توجه کنید، دوچرخه‌سوار از نقطه A حرکت کرده و دوباره به همان نقطه بازگشته است. با توجه به آن‌که بردار جابجایی، نقاط ابتدا و انتهای مسیر را به هم وصل می‌کند و در اینجا این نقاط یکسان هستند می‌توان گفت که میزان جابجایی دوچرخه‌سوار صفر است.
به منظور درک بهتر تفاوت میان مسافت و جابجایی مثال زیر را در نظر بگیرید.
مثال
ماشینی در یک جاده مستقیم ابتدا به اندازه 100 متر به شرق می‌رود و در ادامه مسیرش به اندازه 50 متر به غرب حرکت می‌کند. مسافت و جابجایی طی شده توسط ماشین را حساب کنید.
پاسخ
همان‌طور که می‌دانیم مسافت کل طی شده توسط ماشین مستقل از نقاط ابتدایی و انتهایی حرکت آن بوده و برابر است با:
مسافت طی شده = 50 (به سمت غرب) + 100 متر (به سمت شرق) = 150 متر
مسافت طی شده = ۱۰۰ متر (به سمت شرق) + 50 متر ( به سمت غرب) = 150 متر
برای به دست آوردن جابجایی به نقاط ابتدا و انتهای مسیر توجه می‌شود:
جابجایی = 100 متر (بردار به سمت شرق) - 50 متر ( بردار به سمت غرب) = 50 متر
اندازه جابجایی 50 متر و جهت آن به سمت شرق خواهد بود. برای درک بهتر تفاوت مسافت و جابجایی، به تصویر زیر توجه کنید.
اگر جسم ۱، فاصله معینی را در زمان $$t_{1}$$ و جسم ۲ همان فاصله را در زمان $$t_{2}$$ طی کنند، در صورتی که $$t_{1}$$ از $$t_{2}$$ بزرگتر باشد گفته می شود جسم ۱ سریع‌تر از جسم ۲ حرکت کرده است. به بیان دیگر ، جسم ۱ حرکت سریع‌تری نسبت به جسم ۲ دارد. برای درک بهتر از پرسش حرکت چیست در ادامه به دو مفهوم سرعت و تندی می‌پردازیم.
تندی چیست ؟
نسبت مسافت طی شده توسط یک جسم به زمان لازم برای طی آن مسافت، تندی گفته می‌شود. تندی یک کمیت نرده‌ای بوده و تنها دارای اندازه است.
سرعت چیست ؟
نسبت جابجایی یک جسم به زمان لازم برای آن جابجایی، سرعت گفته می‌شود. سرعت یک کمیت برداری بوده و علاوه بر اندازه، دارای جهت نیز است.
بیشتر مردم دو مفهوم تندی و سرعت را به جای یکدیگر به کار می‌برند. در حالی‌که در فیزیک این دو دارای مفهوم یکسانی نیستند. یکی از تفاوت‌های اصلی آن‌ها در این است که تندی، جهت ندارد.
به حرکت جسمی که با تندی ثابت در جهت مشخصی حرکت می‌کند حرکت با سرعت ثابت گفته می‌شود. وقتی حرکت جسم به گونه‌ای باشد که هم اندازه و هم جهت سرعتش تغییر کند به آن حرکت با سرعت متغیر گفنه می‌شود. همچنین به تغییر در سرعت جسم در واحد زمان شتاب می‌گویند.
با توجه به دو مفهوم سرعت و شتاب، حرکت در حالت کلی به دو نوع حرکت یکنواخت و غیر یکنواخت تقسیم می‌شود. در حرکت یکنواخت مانند حرکت زمین به دور خورشید جسم با سرعت ثابت حرکت می‌کند. در حالی‌که در حرکت غیر یکنواخت مانند دویدن، دونده در مسابقات با سرعت متغیر حرکت می‌کند.
پس از آشنایی با مفاهیم اولیه که برای پاسخ به سوال حرکت چیست استفاده میشوند، می‌توان در ادامه با انواع حرکت به زبان ساده آشنا شد.
انواع حرکت در فیزیک چیست ؟
اجسام در مسیر‌های متفاوتی مانند خط راست یا دایره حرکت می‌کنند. می‌توان گفت که در حالت کلی سه نوع حرکت وجود دارد:
- حرکت انتقالی
- حرکت چرخشی
- حرکت ارتعاشی
حرکت انتقالی چیست ؟
در حرکت انتقالی جسم در امتداد یک خط مستقیم یا منحنی بدون هیچ چرخشی حرکت می‌کند. به هنگام تماشای اجسام در حال حرکت به این نکته می‌توان دقت کرد که آیا در امتداد خط مستقیم یا در امتداد دایره حرکت می‌کنند. وقتی یک ماشین در امتداد یک خط مستقیم حرکت می‌کند دارای حرکت انتقالی است. حرکت قطار، حرکت پرندگان، حرکت حشرات، و حرکت مولکول‌های گاز مثال‌هایی از انواع حرکت‌های انتقالی هستند.
حرکت انتقالی به سه دسته زیر تقسیم می‌شود:
- حرکت خطی
- حرکت دایره‌ای
- حرکت تصادفی
حرکت خطی
اجسام بسیاری در اطرافمان در امتداد خط راست حرکت می‌کنند. حرکت ماشین در جاده، لیز خوردن یک پسر بچه بر روی یخ در امتداد خط راست از مثال‌های حرکت خطی هستند.
حرکت دایره ای
حرک یک جسم در مسیر دایره‌ای، حرکت دایره‌ای گفته می‌شود. قطار اسباب بازی که بر روی ریل دایره‌ای حرکت می‌کند، چرخش زمین به دور خورشید، و حرکت الکترون به دور هسته مثال‌هایی از حرکت دایره‌ای هستند. در انیمیشن زیر می‌توانید ساختار یک اتم و حرکت الکترون به دور هسته را مشاهده کنید.
حرکت تصادفی
آیا تا به حال به حرکت نامنظم پرندگان یا حشرات توجه کرده‌اید؟ به حرکت نامنظم یا آشفته اجسام، حرکت تصادفی گفته می‌شود. حرکت ذرات گرد و خاک در هوا یا حرکت براونی مولکول‌های گاز یا مایع نیز به عنوان حرکت تصادفی شناخته میشوند.
حرکت چرخشی
به چرخش جسمی به دور محور ثابت بدون تغییر شعاع حرکتش، حرکت چرخشی گفته می‌شود. حرکت زمین به دور محور جغرافیاییش و به دنبال آن پیدایش روز و شب، نمونه‌ای از حرکت چرخشی است.
حرکت ارتعاشی
اجسام به عقب و جلو حرکت می‌کنند، ارتعاش دارند، می‌لرزند و نوسان می‌کنند. تمام این عبارات برای توصیف حرکت اجسام بسیاری مانند حرکت ماده در سطح اتمی استفاده میشوند. تکان خوردن، ارتعاشات، و نوسانات بخش جدایی ناپذیر طبیعت هستند. حرکت ارتعاشی هنگامی رخ می‌دهد که جسمی حول نقطه‌ای ثابت به چپ و راست یا عقب و جلو حرکت کند.
قوانین نیوتن در حرکت چیست ؟
تا اینجا به خوبی یاد گرفته‌ایم که حرکت چیست و چگونه در فیزیک به آن پرداخته می‌شود. پس از آشنایی با مفاهیم اولیه برای توصیف حرکت و توضیحاتی پیرامون انواع حرکت، در ادامه به بررسی قوانین حاکم بر حرکت می‌پردازیم.
قوانین حرکت که در حدود 300 سال قبل توسط ایزاک نیوتن ارائه شد توصیف کننده رابطه میان یک جسم و نیروهای اعمالی بر آن است. فهم این موضع به ما در درک اساس فیزیک مدرن کمک می‌کند. ایزاک نیوتن نظریه گرانش را در سال 1666 هنگامی که فقط 23 سال داشت ارائه داد. در سال 1686، او سه قانون حرکتش را تحت عنوان «Principia Mathematica Philosophiae Naturalis» موسوم به «Principia» ارائه کرد.
قانون اول نیوتن در حرکت چیست ؟
یک جسم در حال سکون یا در حال حرکت با سرعت ثابت بر روی مسیر مستقیم حالت خود را تا وقتی که نیروی خارجی به آن وارد نشود حفظ می‌کند. در حقیقت، در مباحث مکانیک کلاسیک نیوتنی هیچ فرقی بین حالت سکون و حرکت با سرعت ثابت بر روی خط راست وجود ندارد. اگر نیروی خارجی بر جسم اعمال شود، سرعت آن به دلیل اعمال نیرو تغییر می‌کند. این فرض به عنوان قانون اینرسی شناخته شده است.
قانون اینرسی در ابتدا برای حرکت افقی بر روی زمین توسط «گالیله» (Galileo Galilei) فرمول‌بندی و بعدها توسط رنه «دکارت» (Rene Decartes) تعمیم داده شد. گالیله در تلاش بود با استفاده از این قانون توضیح دهد چگونه ممکن است که زمین به دور محور خود و خورشید در چرخش باشد ولی ما این حرکت را احساس نکنیم. با استفاده از اصل اینرسی می‌توان به این سوال پاسخ داد. از آنجایی که ما به همراه زمین در حرکت هستیم و میل به حفظ این حرکت داریم در نتیجه زمین از دید ما در حالت سکون قرار دارد.
این قانون را می‌توانیم در زندگی روزمره خود نیز مشاهده کنیم. به طور مثال، اگر به توپ ساکنی بر روی زمین ضربه بزنید، این توپ تا وقتی به حرکت خود ادامه می‌دهد که اصطکاک سطح به آن نیرویی در خلاف جهت حرکت وارد نکرده باشد. همچنین مشاهده می‌کنید که به هنگام رانندگی، پس از ترمز بدن شما همچنان به حرکت خود به سمت جلو ادامه می‌دهد. همچنین کشیدن تخته یا پارچه از زیر توپ تنیس مثال دیگری از قانون اول نیوتن است. با کشیدن تخته یا پارچه از زیر توپ‌ها آن‌ها بدون حرکت به چپ یا راست در جای خود باقی می‌مانند و قانون اول نیوتن باعث می‌شود آن‌ها به داخل لیوان‌ها بیافتند.
قانون دوم نیوتن
در فیزیک کلاسیک، قانون دوم نیوتن یکی از مهم‌ترین قوانینی است که آموزش داده می‌شود. یک جسم تنها در صورتی می‌تواند شتاب‌دار شود که جمع و جهت نیروهای وارد شده بر آن مخالف صفر باشد. قانون دوم نیوتن به طور دقیق به ما می‌گوید که یک جسم به ازای کل نیروی وارد شده بر آن چه مقدار شتاب می‌گیرد:
$$\begin{equation}\sum{F}=ma\end{equation}$$
در رابطه بالا:
- $$F$$: نیرو
- $$m$$: جرم
- $$a$$: شتاب
با توجه به فرمول بالا، می‌بینیم که شتاب متناسب با جمع نیروی وارد شده بر جسم است و با جرم جسم نسبت عکس دارد.
قانون سوم نیوتن
مطابق با قانون سوم نیوتن، برای هر عملی (نیرو) در طبیعت عکس‌العملی مساوی و در خلاف جهت وجود دارد. اگر جسم ۱، نیرویی را بر جسم ۲ وارد کند، جسم ۲ نیز نیرویی مساوی و در خلاف جهت بر جسم ۱ وارد می‌کند. به بیان دیگر، نیروها نتیجه برهم‌کنش هستند. به عنوان مثال، وقتی می‌پرید پاهای شما نیرویی به سمت زمین وارد می‌کند، در مقابل زمین نیز نیروی عکس‌العملی مساوی و در خلاف جهت وارد می‌کند که شما را به سمت هوا سوق می‌دهد.
نکته: نیوتن با گسترش سه قانون خود توضیح داد که چرا مدار سیارات به دور خورشید به جای دایره، بیضی است.
معرفی فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم
مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزشی فیزیک پایه دوازدهم برای دانش‌آموزان پایه دوازدهم و دانشجویان ترم اول علوم پایه و فنی مهندسی کرده است. این مجموعه آموزشی از بیست و سه درس تشکیل شده است که برای آشنایی بیشتر با مباحث حرکت و حل مسئله، درس‌های یک تا هشت مفید هستند.
درس‌های اول تا چهارم به حرکت بر روی خط راست اختصاص دارند و می‌توان در این درس‌ها مباحث مربوط به مسافت، جابجایی، تندی، و سرعت را با جزییات بیشتری فرا گرفت. برای یادگیری دینامیک حرکت دایره‌ای می‌توان به درس‌های پنج تا هشت این مجموعه آموزشی مراجعه کرد. در ادامه، به مباحث مربوط به نوسان و موج و فیزیک مدرن پرداخته شده است.
- برای دیدن فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم + اینجا را کلیک کنید.
پرسش‌هایی پیرامون قوانین نیوتن
برای آشنایی با قوانین نیوتن، مثال‌هایی در زیر مطرح می‌شود.
۱. چرا به هنگام شکار یک حیوان، شکارچی تفنگ شکاری را بر روی شانه خود قرار می‌دهد؟
پاسخ: به هنگام کشیدن ماشه تفنگ، نیرویی به گلوله وارد و گلوله از تفنگ خارج می‌شود. همزمان، به تفنگ نیرویی برخلاف جهت حرکت گلوله و به جهت شکارچی وارد می‌شود. از این‌رو، شانه شکارچی نیروی جدیدی به تفنگ وارد می‌کند و باعث می‌شود تفنگ از دستش پرتاب نشود.
2. با استفاده از یکی از قوانین نیوتن توضیح دهید چرا بهتر است به هنگام رانندگی کمربند ایمنی ببندیم؟
پاسخ: اگر به هنگام رانندگی کمربند ایمنی ببندیم در صورت وقوع تصادف، بدنمان به دلیل اعمال نیروی جدیدی از سمت کمربند ایمنی با همان سرعت اولیه اتومبیل و در همان جهت حرکت اولیه به حرکت خود ادامه نمی‌دهد و در همان جایگاه اولیه باقی می‌ماند.
3. چگونه می‌توان از قوانین نیوتن برای توضیح پرتاب اولیه موشک به فضا استفاده کرد؟
پاسخ: براساس قانون سوم نیوتن به هنگام خروج آتش از موشک با مقدار نیروی مشخص، موشک در خلاف جهت خروج آتش با نیروی یکسانی حرکت می‌کند.
بسیار مفید