فیزیکدان ها تأثیر برخورد خودروها با یکدیگر را بررسی م یکنند تا امنیت آنها را در جاده افزایش دهند. متخصصانِ تولیدِ کف شهای کوهنوردی، کف شهایی را طراحی و تولید م یکنند تا اصطکاک بین کف شها و کوه زیاد باشد.متخصصان خودروهای مسابقه تلاش م یکنند تا خودروهایی را با بیشترین شتاب طراحی کنند. مهندسان برای افزایش ایمنی حرکت بالابرها، بیشترین نیرویی را بررسی م یکنند که کاب لهای بالابر م یتوانند تحمل کنند و… .
در واقع در هر کاری که روزانه انجام م یدهیم، با نیرو سروکار داریم. باز و بسته کردن در و پنجره، راه رفتن، بازی کردن، رانندگی کردن، شنا کردن، حمل کردن اجسام، حرکت وسایل نقلیه، پرواز هواپیما و… بدون اعمال نیرو انجام نم یشود.

نیروهای متوازن

پیش از این در کتاب های علوم؛ با برخی از مفاهیم نیرو آشنا شدیم. در آنجا دیدیم که وقتی جسمی را م یکشیم یا آن را هل م یدهیم؛ یعنی به آن نیرو وارد م یکنیم. اثر نیرو بر یک جسم به شک لهای مختلف مانند: شروع به حرکت کردن جسم، توقف جسم،کم یا زیادشدن سرعت جسم، تغییر جهت سرعت و تغییر شکل جسم، خود را نشان م یدهد. همچنین نیرو اثر متقابل بین دو جسم است؛ یعنی اگر شما دوستتان را هل دهید، او نیز شما را هل م یدهد و اگر شما وی را بکشید، او نیز شما را م یکِشد. به عبارت دیگر در به وجود آمدن نیرو، همواره دو جسم مشارکت دارند و البته این اجسام لزوماً در تماس با یکدیگر نیستند.

اگر بر جسمی چند نیرو به طور هم زمان اثر کند و این نیروها اثر یکدیگر را خنثی کنند، می گوییم نیروهای وارد بر جسم متوازن اند. به عبارت دیگر اگر برآیند نیروهای وارد برجسم صفر باشد، نیروهای وارد بر جسم متوازن اند. آزمایش نشان می دهد، تا زمانی که نیروهای وارد بر جسم متوازن باشند جسمِ ساکن، همچنان ساکن باقی می و اگر در حال حرکت باشد همچنان به حرکت خود ادامه خواهد داد و تغییری در نحوهٔ حرکت آن ایجاد نخواهد شد؛ یعنی سرعت آن تغییر نخواهد کرد.




حال اگر در جسمی توازن نیروها به هم بخورد، یعنی نیروهایی که بر آن تأثیر می گذارند، همدیگر را خنثی نکنند،آنگاه نیروی خالصی بر جسم اثر خواهد کرد و جسمِ ساکن شروع به حرکت م یکند؛ یا اگر در حال حرکت باشد، تغییری در حرکت آن به وجود خواهد آمد. مثلاً اگر در پرواز هواپیما، نیروی بالابری بیشتر از وزن هواپیما شود، هواپیما اوج می گیرد و اگر نیروی بالابری کمتر از وزن شود، ارتفاع هواپیما کاهش پیدا می کند.

نیروی خالص عامل شتاب است

همان طور که دیدید، اگر نیروهای وارد بر جسم در توازن باشند؛ یعنی نیروی خالص صفر باشد، سرعت جسم تغییر نم یکند؛ مثلاً وقتی شما و دوستتان از دو طرف با نیروی هم اندازه و در خلاف جهت یک چرخ دستی را هل دهید، چرخ دستی حرکت نم یکند؛ اما سرعت چرخ دستی یا هر جسم دیگری وقتی تغییرم یکند که نیروهای وارد برآن در توازن نباشند. به عبارت دیگر نیروی خالصی بر جسم وارد شود. پس نتیجه م یگیریم که نیروی خالص وارد بر یک جسم سبب تغییر سرعت آن می شود؛ یعنی نیرو سبب ایجاد شتاب م یشود. مثلاً وقتی شما به تنهایی یک چرخ دستی را هل م یدهید، چرخ دستی شروع به حرکت م یکند و سرعت آن افزایش م ییابد؛ یعنی نیرو سبب تغییر سرعت یا به عبارت دیگر سبب ایجاد شتاب در جسم می شود.

با انجام دقیق آزمای شهایی مشابه آزمایش بالا، درم ییابیم که شتاب جسم متناسب با نیروی وارد بر جسم است. در قسمت اول آزمایش، جرم جسم)چهارچرخه( ثابت است؛ اما نیرویی که جسم را می کشد افزایش می یابد و در اثر افزایش نیرو، شتاب جسم نیز به همان نسبت افزایش پیدا م یکند. در قسمت دوم آزمایش، نیرویی که جسم را می کشد، ثابت است؛ اما جرم جسم افزایش م ییابد. در این حالت شتاب جسم کاهش پیدا م یکند. یعنی شتاب با جرم جسم نسبت وارون دارد.

بنابراین هرگاه بر جسم نیروی خالصی وارد شود، جسم تحت تأثیر آن نیرو شتاب م یگیرد که این شتاب نسبت مستقیم با نیروی وارد بر جسم دارد و در همان جهت نیرو است و با جرم جسم نسبت وارون دارد.



اگر نیروی خالص وارد بر جسم را با F جرم جسم را با M و شتاب را با A نشان دهیم رابطهٔ بالا به صورت زیر در می آید : در این رابطه، یکای نیرو نیوتون N یکای جرم کیلوگرم Kg و یکای شتاب نیوتون برکیلوگرم N/kg است.این رابطه را اولی نبار ایزاک نیوتون دانشمند انگلیسی با اطلاع از نظرهای دانشمندان قبل از خود استنتاج کرد. لذا این رابطه معروف به قانون دوم نیوتون است.

وزن

وزن جسم برابر با نیروی گرانشی )جاذبه ای( است که از طرف زمین بر جسم وارد می شود. وزن جسم را با نیروسنج انداز ه می گیرند و یکای آن نیوتون است. وزن یک جسم در سطح زمین از حاص لضرب جرم جسم در شتاب جاذبهٔ زمین ب هدست می آید.

شتاب جسم × جرم جسم =وزن جسم

اگر جرم جسم را با M و شتاب جازبه را با G و وزن را W نشان دهیم این رابطه به شکل زیر در می آید

شتاب جاذبه در سطح زمین تقریباً 9/8 نیوتون بر کیلوگرم است که برای سادگی در حل مسئل هها آن را 10 نیوتون بر کیلوگرم فرض می کنند.

نیروی کنش و واکنش

وقتی با دست دیوار یا خودرویی را هل م یدهیم، حس م یکنیم دیوار یا خودرو نیز ما را هل م یدهد. یعنی در بره مکنش بین دست و دیوار دو نیرو وجود دارد. نیرویی که ما به دیوار وارد م یکنیم و نیرویی که دیوار ب هدست ما وارد م یکند. اگر نیروی دست که دیوار را هل می دهد، کُنش بنامیم، نیرویی که دیوار ب هدست ما وارد م یکند، واکنش نامیده می شود.



اگر قط بهای همنام دو آهنربا را به هم نزدیک کنیم، آهنربای اوّلی آهنربای دومی را دفع می کند (کنش) و آهنربای دومی نیز آهنربای اوّلی را دفع م یکند (واکنش). همچنین وقتی دو جسم باردار الکتریکی مثبت و منفی را به هم نزدیک م یکنیم بار مثبت، بار منفی را جذب می کند (کنش) و بار منفی نیز بار مثبت را جذب م یکند (واکنش).


نیروهای کنش و واکن ش همیشه همراه هم ظاهر می شوند و هی چیک بدون دیگری نم یتوانند وجود داشته باشند. ایزاک نیوتون رابطهٔ بین نیروهای کنش و واکنش را ب هصورت زیر بیان کرده است: «هر گاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیز به جسم اوّل نیرویی هم اندازه ولی در خلاف . جهت وارد می کند»

بیان بالا معروف به قانون سوم نیوتون است.در شکل 10 تصویر چند حالت مختلف آورده شده است که می توان روی آن ها نیروهای کنش و واکن ش را مشخص کرد. توجه داریم که نیروی کنش و واکنش همواره هم اندازه و در خلاف جهت یکدیگرند و بر دو جسم وارد می شوند.

اصطکاک

در زندگی روزمره دائماً با اصطکاک سروکار داریم. ما آثار اصطکاک را در حرکت خودرو، راه رفتن، بازی کردن، هل دادن یک جسم و... مشاهده م یکنیم. وقتی جسمی را که روی زمین قرار دارد، می کِشیم یا هل م یدهیم، نیرویی در خلاف جهت نیروی ما به وجود می آید. همچنین وقتی جسم روی زمین در حال حرکت است، نیرویی در خلاف جهت حرکت از طرف زمین بر آن وارد م یشود.به این نیروها نیروی اصطکاک می گویند.



فرض کنید می خواهیم جسم سنگینی را که روی سطح افقی قرار دارد، جاب هجا کنیم. اگر آن را با نیروی کمی هل دهیم، جسم به حرکت در نم یآید.در این حالت نیروی اصطکاکی که در خلاف جهت نیروی ما به جسم وارد می شود، مانع حرکت جسم م یشود.این نیرو را نیروی اصطکاک ایستایی می نامیم (شکل 12 الف).


حال جسمی را در نظر بگیرید که در اثر هل دادن یا کشیدن روی سطح افقی شروع به حرکت کند. اگر از هل دادن یا کشیدن دست برداریم، سرعت جسم کاهش م ییابد و پس از مدتی م یایستد. با توجه به اینکه نیرو سبب تغییر سرعت جسم م یشود، پس باید نیرویی در خلاف جهت حرکت بر جسم وارد شده باشد و سبب ایستادن جسم شود. این نیرو را نیروی اصطکاک جنبشی می نامیم (شکل 12 ب).
نیروی اصطکاک بین دو جسم به جنس دو جسم بستگی دارد؛ مثلاً کوهنوردان از کف شهایی با زیره های خاصی برای کوهنوردی استفاده می کنند تا نیروی اصطکاک بین کفش و زمین زیاد شود، در حالی که اسک یبازان تلاش م یکنند از چوب های اسکی صیقلی شده استفاده کنند تا نیروی اصطکاک بین چو بها و برف کم شود.




نيروي اصطکاک بين دو جسم به علت ناهمواري هايي است که به صورت ميکروسکوپي بين دو جسم وجود دارد و با چشم غيرمسلح قابل رؤيت نيست. هرچه دو جسم روي هم بيشتر فشرده شوند، اين ناهمواري ها بيشتر در يکديگر فرو مي روند و مانع حرکت مي شوند و نيروي اصطکاک افزايش مي يابد.