نیرو

نیرو (force)

نيرو

نيرو

هر اثری که حالت سکون جسم یا حالت حرکت یکنواخت آن را روی خطی راست تغییر دهد. نتیجۀ تأثیر نیروی برآیند یا نیروی‌ خنثی‌نشده بر جسم این است که جسم در جهت نیرو شتاب می‌گیرد یا در صورتی که جسم نتواند آزادانه حرکت کند، در آن تغییرشکل پدیدمی‌آورد. (← هوک،_قانون). نیرو کمیتی برداری است، و هم مقدار و جهت دارد. یکای نیرو در دستگاه بین‌المللی نیوتون است. برای درک حرکت و علت آن لازم است حرکت را توصیف کرد. تندی یا مقدار سرعت معیاری از میزان تحرک جسمِ در حال حرکت است. تندی یا مقدار سرعت را از تقسیم‌ فاصلۀ پیموده‌شده بر مدت‌زمانی‌که صرف پیمودن آن شده است، به‌دست می‌آورند. به این‌ترتیب، تندی‌ یا مقدار سرعت فاصله یا مسافت پیموده شده در واحد زمان است. تندی کمیتی نرده‌ای است که جهت جابه‌جایی در آن اهمیت ندارد و فقط آهنگ جابه‌جایی مورد توجه قرار می‌گیرد. غالباً نمایش حرکت با نمودار مفید است. با ترسیم فاصلۀ حرکت بر‌حسب زمان و تهیۀ نمودار فاصله ـ زمان کل مسافت پیموده‌شده را محاسبه می‌کنند. شیب این نمودار معرف تندی حرکت در هر نقطۀ خاص است و به آن تندی لحظه‌ای می‌گویند. در نمودار فاصله‌ـ‌زمان، هر خط راست معرف حرکتی با تندی ثابت است. نمودار نشان‌دهندۀ مراحل حرکت به نمودار جابه‌جایی معروف است. در نمودار مقدار سرعت یا تندی ـ زمان، تندی حرکت جسم در طول زمان رسم می‌شود. این نمودار تندی لحظه‌ای را در هر نقطه نشان می‌دهد. هنگامی‌که نمودار حرکت به‌صورت خط افقی درمی‌آید، به‌سبب صفرشدن تندی جسم به حالت سکون رسیده است.

سرعت و شتاب. سرعت تندی جسم در جهتی معین است. به این‌ترتیب، سرعت کمیتی برداری است که هم‌مقدار و هم جهت آن را باید درنظر گرفت. شتاب آهنگ تغییر سرعت در طول زمان است و کمیتی برداری است. شتاب وقتی پدید می‌آید که مقدار سرعت یا تندی تغییر کند، جهت سرعت تغییر کند، یا هم مقدار و هم جهت سرعت تغییر کند.

نیرو و حرکت. بنابر کشف گالیله، جسمی که روی سطح افقی کاملاً صاف در حرکت است، سرعتش کم و زیاد نمی‌شود. همۀ اجسام با همان سرعتی که دارند به حرکتشان ادامه می‌دهند، مگر وقتی‌که نیرویی وارد شود و شتابی پدید‌آید. علت آن‌که جسم در حال حرکت را به ظاهر باید هُل دهیم تا به حرکتش با سرعت ثابت ادامه دهد، این است که در سطح زمین، بر همۀ اجسام در حال حرکت نیروهای اصطکاک وارد می‌شود. اصطکاک وقتی پدید می‌آید که دو سطح جامد روی یکدیگر سایش و مالش داشته باشند. از آن جمله‌ است وقتی‌که لاستیک اتومبیل در تماس با سطح زمین در حرکت است. اصطکاک در جهت مخالف حرکت نسبی دو جسمی عمل می‌کند که با یکدیگر در تماس‌اند و منجر به کندشدن حرکت جسم متحرک می‌شود. برای خنثی‌کردن نیروی اصطکاک لازم است جسم متحرک را با اعمال نیرو به جلو هُل داد. اگر حاصل‌جمع نیروها منجر به نیروی برآیند صفر شود، جسم شتاب نخواهد گرفت، بلکه با سرعت ثابت به حرکتش ادامه می‌دهد. نیروی برآیند نیروی منفردی است که بر ذره یا جسم وارد می‌شود و اثرش معادل است با مجموعۀ آثار ناشی از دو یا چند نیرویی که بر همان ذره یا جسم وارد می‌شوند. تحقیقات گالیله را آیزاک نیوتون گسترش داد. بنابر قانون دوم حرکت نیوتون، مقدار نیروی برآیند برابر است با آهنگ تغییر تکانه جسمی که نیرو بر آن وارد می‌شود. بنابراین، نیروی F (نیوتون) وارد بر جسمی به جرم m (کیلوگرم)، که در آن شتاب a (متر بر مجذورثانیه) پدید می‌آورد، عبارت است ازF=ma. قانون دوم نیوتون، تغییر تکانۀ متناسب با مقدار نیروی خارجی است و در همان جهتی پدید می‌آید که نیرو بر جسم اعمال می‌شود. تکانه تابعی است که هم به جرم جسم و هم به سرعت آن بستگی دارد. این امر با تجربۀ شخصی نیز سازگاری دارد، زیرا مفهوم نیرو از تلاش عضلانی منشأ می‌گیرد. متوقف‌سازی حرکت جسم سنگین نسبت به جسم سبک به تلاش و قدرت بیشتری نیاز دارد و برای متوقف‌سازی جسمی که با سرعت زیاد در حرکت است، نسبت به جسمی که حرکتی کندتر دارد، به قدرت بیشتری نیاز داریم. به این ترتیب، نیرو را می‌توان با تغییر تکانه‌ای اندازه‌گیری کرد که از حاصل‌ضرب جرم در سرعت به‌دست می‌آید (← نیوتون، قانون‌های حرکت). بنا‌به قانون سوم حرکت نیوتون، اگر جسم A نیرویی بر جسم B وارد کند، جسم B هم نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف بر جسم A وارد می‌کند. به این نیروی مساوی که در جهت مخالف وارد می‌شود، نیروی واکنش می‌گویند. سقوط آزاد و سرعت حد. گالیله ثابت کرد که اجسام در حال سقوط آزاد، چه سنگین باشند و چه سبک، شتاب ثابتِ یکسانی دارند که برخاسته از گرانی است. این شتاب ناشی از نیروی گرانشی‌ای است که زمین بر جسم وارد می‌کند و به شتاب سقوط آزاد نیز معروف است. مقدار این شتاب در حدود ۱۰ متر بر مجذور ثانیه است. هنگامی‌که جسم در هوا سقوط می‌کند، مقاومت هوا هم بر آن اثر می‌کند. اثر مقاومت هوا با افزایش سرعت جسم بسیار افزایش می‌یابد و درنتیجه، جسم به سرعتی با نام سرعت حد نزدیک می‌شود. جسم پس از رسیدن به سرعت حد با همان سرعت به سقوط ادامه می‌دهد، تا به زمین برسد، زیرا شتاب‌گیری جسم درپی خنثی‌شدن وزن با مقاومت هوا متوقف شده است. شتاب ناشی از گرانی را با آونگ اندازه‌گیری می‌کنند.

استاتیک یا ایستایی‌شناسی (استاتيک). شاخه‌ای از مکانیک است که به بررسی رفتار اجسام در حال سکون یا اجسامی می‌پردازد که با سرعت ثابت در حرکت‌اند. نیروهایی که در این شرایط بر جسم وارد می‌شوند همدیگر را خنثی می‌کنند و در کل، نیروهای وارد بر جسم در حال تعادل‌اند. گرانی یا ثقل نیرویی است که از اجسام بسیار بزرگ سرچشمه می‌گیرد. گرانی زمین اجسام را با شتاب ثابتی به‌طرف سطح زمین می‌کشاند. اجسامی با سطح مقطع بزرگ براثر مقاومت هوا کندتر سقوط می‌کنند. در خلأ، که نیروی گرانی یگانه نیروی تعیین‌کنندۀ آهنگ سقوط است، همۀ اجسام با شتاب یکسان سقوط می‌کنند.

 

---