نيرو

نیرو و انواع آن

انواع نیرو

یک نیرو کشیدن و یا هل دادن یک جسم است که حاصل برهمکنش آن با جسم دیگری می باشد. نیرو انواع مختلفی دارد. قبلا در این درس بر اساس دو جسم در برهمکنش با هم در تماسند یا خیر، در دو گروه اصلی قرار گرفتند.

نیروهای موثر از راه دور

نیروی گرانشی
نیروی الکتریکی
نیروی مغناطیسی

نیروهای تماسی

نیروی اصطکاک
نیروی کشش
نیروی نرمال
نیروی مقاومت هوا
نیروی اعمالی
نیروی ارتجاعی

شرح نیرو

نیروی اعمالی ( F_app نیروی اعمالی)

نیرویی است که توسط با یک جسم به جسم دیگر وارد می شود. اگر کسی میزی را در طول اتاق هل دهد، یک نیروی اعمالی وجود دارد که به جسم وارد می شود، نیروی اعمالی نیرویی است که توسط شخص به میز اعمال می شود.

نیروی گرانش ( تحت عنوان وزن ) F_grav

نیروی گرانش نیرویی است که زمین، ماه و یا هر جسم که جرم زیادی دارد، جسم دیگر را توسط آن به سوی خود می کشد. با این تعریف، این وزن جسم می باشد. همه ی اجسام روی زمین تحت تاثیر نیروی گرانش هستند که جهت آن " رو به پایین " به سمت مرکز زمین است. نیروی جاذبه ی زمین برابر وزن جسم و معادل رابطه ی زیر است.

F_grav = m g

در حالی که g= 9.8 m/s² ( روی زمین ) و m = جرم ( در واحد )

( توجه: وزن و جرم را اشتباه نگیرند )

نیروی نرمالF_nrom

نیروی نرمال، نیروی نگهدارنده ای است که به یک جسم در تماس با جسم ثابت دیگر وارد می شود. برای مثال اگر کتابی روی یک سطح باشد، سطح نیرویی رو به بالا به کتاب وارد می کند تا وزن آن را تحمل کند. در برخی موارد، یک نیروی نرمال افقی بین دو جسم که با هم در تماسند وجود دارد. برای مثال شخصی که به دیوار تکیه داده است. دیوار به صورت افقی فرد را هل می دهد.

نیروی اصطکاک F_fric

نیروی اصطکاک نیرویی است که توسط سطح به جسم در حال حرکت روی آن و یا به جسمی که سعی دارد روی آن وارد می شود. حداقل دو نوع نیروی اصطکاک وجود دارد – نیروی اصطکاک ایستایی و لغزشی. این دو نیرو همیشه برابر نیستند، نیروی اصطکاک معمولا مانع حرکت جسم است. برای مثال اگر یک کتاب روی سطح یک میز سر بخورد، میز نیروی اصطکاکی در خلاف جهت حرکت به آن وارد می کند. نیروی اصطکاک ناشی از دو سطحی است که به هم فشرده شده اند و نتیجه نیروهای جاذبه ی بین مولکولی، بین مولکول های دو سطح متفاوت است. بیشترین نیروی اصطکاکی که یک سطح می تواند به یک جسم وارد کند با فرمول زیر محاسبه می شود:

F_fric ≤ µ × F_normµ= ضریب اصطکاکی

نیروی اصطکاک بعدا در درس های بعدی با جزئیات بیشتری شرح داده می شود.

نیروی مقاومت هوا F_air

نیروی مقاومت هوا، نوع خاصی از نیروی اصطکاک است که وقتی اشیا در هوا در حرکتند بر آن ها اعمال می شود. نیروی مقاومت هوا معمولا مانع حرکت اجسام است. این نیرو در بسیاری از موارد به دلیل مقدار ناچیزش نادیده گرفته می شود ( و به این دلیل که از نظر ریاضی محاسبه ی مقدار آن مشکل است.) این نیرو بیشتر در مواردی قابل توجه است که اشیا با سرعت زیاد حرکت می کنند ( یعنی راکت ها یا اسکی سرعت ) یا اشیایی با سطح مقطع بزرگ.

نیروی کشش F_ten

نیروی کشش نیرویی است که از یک سر ریسمان، طناب، کابل یا سیم زمانی که توسط نیروی اعمالی شدیدا کشیده است، به سر دیگرش شده است، به سر دیگرش منتقل می شود. جهت نیرو در جهت طول طناب و مقدار آن برابر نیرویی است که ازسر دیگر طناب به آن اعمال شده است.

نیروی ارتجاعی F_spring

نیروی ارتجاعی نیرویی است که فنر کشیده شده یا فشرده شده ی متصل به یک به آن جسم وارد می کند. جسمی که فنر را می کشد یا آن را فشرده می کند، تحت تاثیر نیرویی قرار می گیرد که آن را به حالت تعادلش بر می گرداند . برای بیشتر فنرها (خصوصا آن هایی که از قانون " هوک " تبعیت می کنند ) مقدار نیرو با میزان کشیدگی یا فشردگی فنر نسبت مستقیم دارد.

نیرو و نمایش آن

مفهوم نیرو

یک نیرو کشیدن و یا هل دادن یک جسم است که حاصل بر همکنش آن با جسم دیگری می باشد. وقتی بین 2 جسم بر همکنش وجود دارد به هریک از دو جسم نیرو وارد می شود. وقتی برهمکنش متوقف می شود دیگر نیرویی بر اجسام وارد نمی شود. نیروها نتایج بر همکنش می باشند.

برای سادگی، همه ی نیروها ( برهمکنش ها ) بین اشیا، در دو گروه اصلی قرار می گیرند:

نیروهای تماسی

نیروهای اعمالی با فاصله

نیروهای تماسی آن هایی هستند که اگر دو جسم در برهمکنش با هم در تماس فیزیکی باشند، به وجود می آیند.

نیروهای تماسی شامل نیروهای اصطکاکی ، کششی، نیروهای نرمال ، مقاومت هوا و نیروهای اعمالی می باشد. این نیروهای خاص بعدا با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار می گیرند.

نیروهای موثر از راه دور آن هایی هستند که اگر در جسم در برهمکنش با هم در تماس فیزیکی نباشند، به وجود می آیند، این که دو جسم از نظر فیزیکی جدا هستند می توانند همدیگر را بکشند یا هل دهند. نیروهای موثر از راه دور شامل نیروی گرانش می شود. مثلا خورشید و سیارات با وجود فاصله ی بسیار زیاد در فضا، کشش گرانشی روی همدیگر دارند. حتی زمانی که پاهای شما روی زمین نیستند و شما با زمین تماس فیزیکی ندارید کشش گرانشی بین شما و زمین وجود دارد. نیروهای الکتریکی نیز نیروهای موثر از راه دور هستند. برای مثال پرتوها در هسته اتم و الکترون ها خارج هسته با وجود فاصله ی کمی که دارند جاذبه ی الکتریکی به همدیگر دارند.

نیروهای مغناطیسی نیز، نیروی موثر از راه دور هستند. برای مثال دو آهنربا با وجود فاصله ی چند سانتیمتری از هم، کشش مغناطیسی دارند. این نیروهای خاص بعدا با جزئیات بیشتری بحث می شوند.

نمونه هایی از نیروهای تماسی و نیروهای موثر از راه دور در زیر لیست شده اند:

نیروهای موثر از راه دور

نیروی گرانشی
نیروی مغناطیسی
نیروی الکتریکی

نیروهای تماسی

نیروی اصطکاک
نیروی کشش
نیروی نرمال
نیروی مقاومت هوا
نیروی اعمالی
نیروی ارتجاعی

نیرو کمیتی است که با استفاده ازواحد استاندارد نیوتن اندازه گیری می شود. نیوتن با " N " نشان داده می شود. وقتی می گوییم 10N یعنی 10 نیوتن نیرو.

یک نیوتن نیرویی است که برای این که به جسمی به جرم 1 کیلوگرم، 1 m/s² شتاب بدهیم نیاز است. بنابراین:

نیرو یک کمیت برداری است. همان طور که در بخش قبل آموختید، کمیت برداری کمیتی است که هم اندازه دارد و هم جهت.

برای این که نیروی وارد شده به جسم را به طور کامل شرح دهید، هم باید اندازه ( مقدار یا ارزش عددی ) و هم جهت آن را مشخص کنید. بنابراین 10N توضیح کامل نیروی اعمالی به یک جسم نیست. طبق قرارداد 10 نیوتن، به سمت پایین یک تعریف کامل برای نیرویی است که به جسم وارد می شود، هم بزرگی ( 10 نیوتن ) و هم جهت ( به سمت پایین ) مشخص شده اند.

از آنجا که نیرو یک کمیت برداری است و جهت دارد، معمولا نیروها را با استفاده از دیاگرام هایی برداری که معمولا در فیزیک به کار برده می شوند در بخش معرفی شده اند. اندازه پیکان بزرگی و جهت آن، جهت نیرو را نشان می دهد( چنین دیاگرام هایی را دیاگرام نیرو می گویند. ) به علاوه چون نیروها، کمیت برداری هستند، اثر یک نیروی مجزا روی یک جسم، اغلب با اثر نیروی دیگر خنثی می شود. برای مثال، اثر یک نیروی 20 نیوتن که رو به بالا به کتاب وارد می شود به وسیله ی اثر نیروی 20 نیوتن که رو به پایین به کتاب وارد می شود خنثی می گردد. در این مدار گفته می شود که دو نیروی مجزا با هم خنثی شده اند. احتمال دارد نیروی خنثی نشده ای به کتاب وارد شود.

وضعیت دیگر که می توان تصور کرد این است که، دو نیروی برداری مجزا، همدیگر را خنثی کرده اند ( تعادل ) ، اما یک نیروی سوم مجزا وجود دارد که با نیروی دیگری خنثی نمی شود. برای مثال، کتابی را فرض کنید که روی سطح میز از چپ به راست سر می خورند. نیروی جاذبه رو پایین است و نیروی که میز وارد می کند رو به بالا. بنابراین همدیگر را خنثی می کنند. اما نیروی اصطکاک رو به چپ است و نیرویی به سمت راست وجود ندارد که آن را خنثی کند. پس یک نیروی خارجی روی آن اثر کرده و حالت حرکت آن را تغییر می دهد.

جزئیات دقیق دیاگرم های نیرو بعدا مورد بحث قرار می گیرند. اکنون، تاکید بر این است که نیرو یک کمیت برداری و جهت دارد. اهمیت این امر زمانی روشن می شود که بعدا اثر نیروهای اثر نیروهای مجزا روی جسم در این درس تجزیه و تحلیل می شود.

نیرو

در قسمت دینامیك، به توضیح علت سكون و حركت اجسام می‌پردازیم.

به شكل های زیر خوب نگاه كنید. به نظر شما وجه مشترك آن ها در چیست؟

(الف) مرد بسكتبالیست توپ را هل می‌دهد. (رانش)

(ب) طناب، اسكی باز را می‌كشد. (كشش)

(ج) كره‌ی زمین چترباز را می‌كشد. (كشش)

(د) مرد ماشین بی بنزین خود را هُل می‌دهد. (رانش)

می بینید در هر تصویر بین دو جسم اثری رد و بدل می‌شود كه یا به صورت كشش است و یا رانش كه به آن اثر، نیرو می‌گوییم.

یك نكته‌ی جالب این است كه نیرو همواره بین دو جسم می‌باشد، نه بیشتر و نه كمتر.

با آن كه در هر دو شكل (ب)، (ج) حرف از كشش بود، اما یك تفاوت ساده وجود دارد، كه برای تشخیص آن تنها نیاز به نگاهی دقیق دارد.

طناب، اسكی باز را می‌كشد. (كشش)

كره‌ی زمین چترباز را می‌كشد. (كشش)

طناب و اسكی باز با یكدیگر در تماس هستند، در حالی كه كره زمین و چترباز به صورت غیر تماسی یا از راه دور به هم نیرو وارد می‌كنند. شما نیز می‌توانید مثال های خیلی زیادی از نیروهای تماسی و غیر تماسی پیدا كنید.

حالا خودتان را جای آن بسكتبالیست حرفه‌ای در نظر بگیرید.

اگر توپ را خیلی آرام (نیروی كم) پرتاب كنید. چه می‌شود؟

یا اگر توپ را خیلی محكم (نیروی زیاد) پرتاب كنید، چه مشكلی پیش می‌آید؟

پس برای افتادن توپ درون حلقه اندازه‌ی نیرو خیلی مهم است.

امّا آیا تنها مقدار نیرو مشكل شما را در گل زدن حل می‌كند؟

اگر دست شما كج باشد! و با همان نیرو توپ را پرتاب كنید، ممكن است توپ را به سمت چپ یا راست حلقه یا حتی نقاط عجیب و غریب تری بفرستید.

از این موضوع چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

پس نشانه گیری یا جهت یابی نیز در این جا مهم است. پس برای معرفی هر نیرو 2 چیز لازم است اندازه و جهت.

برای مشاهده فیلم کلیک کنید.

حال كه نیرو كمیتی برداری شد، پس از همه‌ی قوانین بردارها تبعیت می‌كند. مثلاً در شكل سمت راست، دو نفر سورتمه را در جهت‌های نشان داده شده می‌كشند،

امّا سورتمه به سمت راست حركت می‌كند. ملاحظه می‌كنید كه جهت حركت در این جا در راستای بردار برآیند نیروها است.

خود شما می‌توانید مثال های دیگری در این مورد پیدا كنید، فقط لازم است چشمتان را باز كنید!

در سیستم بین المللی، یكای اندازه گیری نیرو به اسم نیوتن شناخته می شود.

یكای نیوتن با علامت اختصاری N نمایش داده می‌شود، مثلاً نیروی یك نیوتنی F بدین صورت نوشته می‌شود: 1N = F.

یك نیوتن، نیرویی است در حدود وزن یك سیب معمولی!

در تصاویر زیر نیروی لازم برای چند كار به نمایش در آمده است.

تعیین برایند نیرو

اگر شما کل درس 1 و درس 2 را بخوانید، قانون اول نیوتن را تجربی می فهمید. یک جسم ساکن تمایل دارد در حالت سکون باقی بماند و یک جسم با سرعت ثابت تمایل دارد با سرعت ثابت به حرکت خود در مسیر مستقیم ادامه دهد، مگر اینکه تحت تاثیر نیروی خارجی قرار بگیرد.

براساس قانون اول نیوتن، نیروی خارجی نیرویی است که توسط نیروی دیگری خنثی نشده باشد. اگر همه ی نیروهای عمودی ( رو به بالا یا رو به پایین ) یکدیگر را خنثی نکنند و یا همه ی نیروهای افقی همدیگر را خنثی نکند، پس یک نیروی خارجی وجود دارد. با دیدن دیاگرام نیرو می توانیم سریعا به وجود یک نیروی خارجی پی ببریم. دیاگرام نیرو برای سه موقعیت، در زیر نشان داده شده است. مقداردهی هر نیرو در دیاگرام مشخص شده است:

در هر یک از موقعیت بالا یک نیروی خارجی وجود دارد. معمولاً در هر موقعیت می گوییم یک برآیند نیرو، روی جسم عمل می کند. با توجه به این که نیرو یک کمیت برداری است و دو نیروی برابر و مختلف الجهت یکدیگر را خنثی می کنند، برآیند نیرو، جمع برداری نیروهای وارد شده است. در این مورد، قانون جمع کردن بردارها (مانند بردار نیرو) نسبتاً ساده است. به مثال های زیر در مورد جمع دو نیروی توجه کنید:

همان طور که می بینید در دیاگرام بالا یک بردار رو به پایین بخشی و یا همه ی یک بردار به سمت راست را خنثی می کند. برای تعیین برایند نیرو نیز به همین ترتیب عمل می شود ( یعنی جمع برداری ، بردار نیرووهای مستقل ). توجه کنید که درسه موقعیت زیر برایند نیرو توسط جمع برداری بردارهای نیروهای مجزایی که به جسم وارد می شوند، محاسبه شده است.

آزمونک

همان طور که اشاره شد برایند نیرو ( یعنی نیروی خارجی ) سبب شتاب گرفتن جسم می شود. در بخش قبل چندین مفهوم که نشان دهنده ی حرکت شتابدار بودند ( نمودارهای مکان - زمان و سرعت – زمان، دیاگرام نواری تکه ای، داده های سرعت زمان و غیره ) مورد بحث قرار گرفتند. آنچه را که در مورد شتاب آموختید و اطلاعات جدیدتان را درباره ی این که برایند نیرو موجب شتاب می شود، ترکیب کنید و با استفاده از آن تعیین کنید در موقعیت های زیر نیروی برایند وجود دارد یاخیر؟

رسم دیاگرام نیرو

دیاگرام نیرو، دیاگرام هایی هستند که برای نشان دادن اندازه و جهت نیروهای وارده به یک جسم در یک موقعیت مشخص به کار می رود. دیاگرام نیرو نمونه ی ویژه دیاگرام برداری است که در بخش قبل بحث شده بود. این دیاگرام ها در همه ی مطالعات فیزیک به کار می روند. اندازه ی پیکان در دیاگرام ها، بزرگی نیرو را نشان می دهد. جهت پیکان، جهت نیرویی را که به جسم وارد می شود نشان می دهد. هر پیکان نیرو در دیاگرام نام گذاری می شود تا نوع آن مشخص شود. در یک دیاگرام نیرو معمولا جسم را با یک جعبه نشان می دهد و پیکان نیروها از مرکز آن به سمت بیرون و در جهتی که نیرو وارد می شود، رسم می گردد. یک دیاگرام نیرو در شکل زیر نشان داده شده است.

دیاگرام نیروی بالا 4 نیرو را نشان می دهد که به جسم وارد می شود.

الزاما همیشه 4 نیرو به جسم وارد نمی شود. ممکن است در بعضی موارد نیروهای نشان داده شده در دیاگرام نیروی یک، دو یا سه عدد باشد. هیچ قانون محکمی درباره ی تعداد نیروهایی که باید در دیاگرام نیرو رسم شود، وجود ندارد. تنها قانون رسم دیاگرام نیرو این است که همه ی نیروهایی که در موقعیت جسم وجود دارند، رسم شوند. بنابراین برای ترسیم دیاگرام نیرو مهم است که انواع نیرو را بشناسید. در صورتی که موقعیت فیزیکی تشریح شده باشد، با اطلاعاتی که درباره ی انواع نیرو دارید مشخص می کنید کدام نیروها وجود دارند.سپس جهت اعمال هر نیرو را مشخص کرده و در آخر یک جعبه می کشید و پیکان ها را برای نیروهای موجود در جهت های مناسب اضافه می کنید.عنوان نیرو بستگی به نوع آن دارد. در صورت لزوم به لیست تعاریف نیروها مراجعه کنید تا انواع نیرو و نمادهای آن را بشناسید.

تمرین

با استفاده از روشی که در بالا برای ترسیم دیاگرام نیرو داده شده است، برای موقعیت های زیر دیاگرام نیرو را رسم کنید. پاسخ و توضیحات در پایان همین صفحه است.

1- یک کتاب به صورت ساکن روی میز قرار دارد. دیاگرام نیروهای وارده به کتاب را رسم کنید.

2- یک دختر بچه به وسیله ی دو طناب از سقف، بدون حرکت آویزان شده است. دیاگرام نیروهای وارده به دختر بچه را رسم کنید.

3- یک تخم پرنده، از آشیانه سقوط آزاد می کند. از مقاومت هوا صرف نظر کنید. دیاگرام نیروهای وارده به تخم را زمانی که در حال سقوط است رسم کنید.

4- یک سنجاب پرنده با سرعت ثابت از روی درخت به زمین می پرد. مقاومت هوا را در نظر گرفتیم. دیاگرام نیرو مطابق زیر است:

5- یک نیرو به سمت راست به یک کتاب وارد می شود تا آن را با شتابی به سمت راست روی میز به حرکت درآورد. ( به آن شتابی به سمت راست بدهد). نیروی اصطکاک را در نظر بگیرید و از مقاومت هوا صرف نظر کنید. دیاگرام نیروهای وارده به کتاب را رسم کنید.

6- یک نیرو به سمت راست به یک کتاب وارد می شود تا آ ن را با سرعت ثابت به حرکت در آورد. نیروی اصطکاک را در نظر بگیرید و از مقاومت هوا صرف نظرکنید. دیاگرام نیروهای وارده به کتاب را رسم کنید.

دانش آموزان عزیز، دیاگرام نیروهای زیر را در حالت های زیر رسم کرده و بررسی کنید.

1. یک دانشجوی کالج یک کوله بر پشت دارد. کوله توسط بندی که آنرا روی شانه نگه می دارد ثابت شده است. دیاگرام نیروهای عمودی وارد به کوله را رسم کنید.

2. یک چترباز با سرعت ثابت فرو می آید. مقاومت هوا را در نظر بگیرید. دیاگرام نیروهای وارده به چتر باز را رسم کنید.

3. یک نیرو به سمت راست یک سورتمه وارد می شود تا با شتابی به سمت راست آنرا روی برف شلی بکشد. دیاگرام نیروهای وارده به سورتمه را رسم کنید.

4. یک توپ فوتبال با ضربه ی شدید دروازه بان به سمت بالا پرتاب می شود.دیاگرام نیروهای وارده به آن را تا زمانیکه به سمت بالا می رود را رسم کنید.

5. یک اتومبیل به سمت راست می رود و سرعتش کم می شود. دیاگرام نیروهای وارده به اتومبیل را رسم کنید

با سلام جهت استفاده از مطالب صلوات بر محمد و آل محمد بفرستيد و لطفاً لينك ما را در وبلاگ يا وبسايت خود قرار دهيد و به دوستان خود معرفي نماييد باتشكر - مديريت وبلاگ