فصل 5

برای مشاهده مطالب و فیلم های فصل 5 به ادامه مطلب بروید .

                     

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

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 ) 

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 نرمال

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 

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 

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 

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 

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

           

مطالبی درباره نیرو 

مکانیک نیوتونی

رابطه ی بین نیرو و شتاب اولین بار توسط آیزاک نیوتون (1727- 1642) مطرح شد. تدوین قوانین کلاسیک حرکت، از جمله قانون دوم نیوتون که قانون اساسی دینامیک محسوب می شود، از کارهای وی محسوب می شود. در اوایل قرن بیستم با ظهور دو نظریه ی نسبیت خاص و مکانیک کوانتومی معلوم شد که مکانیک کلاسیک (نیوتونی) در مورد سرعت های خیلی زیاد ( نزدیک به سرعت نور) و اجسام بسیار کوچک (ملکول ها، اتم ها و موجودات زیر اتمی) نظریه ی کار آمدی نیست و به نتایج صحیحی منجر نمی شود. با وجود این، مکانیک نیوتونی در مورد پدیده های روزمره کاملا معتبر است.

قانون اول نیوتون

((هر جسمی حالت سکون، یا حرکت یکنواخت روی خط راست را حفظ می کند مگر اینکه ناچار شود در اثر نیروهایی که به آن وارد می شود حالتش را تغییر بدهد.))

این قانون در واقع شامل خاصیتی به نام لختی ( یا اینرسی) در همه ی اجسام است. لختی هر جسم مقاومتی است که جسم در مقابل هر گونه تغییر در حالت حرکت از خود نشان می دهد. بنابراین، جرم هر جسم معیاری از لختی آن است.

نیرو

اکنون ما باید یکای نیرو را تعریف کنیم. ما می دانیم که نیرو می تواند به یک جسم شتاب بدهد، بنابراین ما باید یکای نیرو را برحسب شتاب داده شده به جسم استاندارد تعریف کنیم. هنگامی که نیرویی به جسمی به جرم یک کیلوگرم شتابی برابر با یک متر بر مجذور ثانیه می دهد بزرگی این نیرو برلابر یا یک نیوتون است و هنگامی که دو برابر نیروی بالا را به همان جسم استاندارد وارد کنیم شتاب جسم برابر با 2 متر بر مجذور ثانیه می شود.

نیرو بی تردید کمیتی برداری است ( هم مقدار و هو جهت دارد). و از جمع بردار ها تبعیت می کند. هنگامی که چند نیرو به جسمی وارد می شود برایند آن نیرو ها به صورت یک تک نیرو (نیروی خالص) به جسم وارد می شود.

قانون اول نیوتون: اگر برایند نیروهای وارد بر جسم صفر باشد، سرعت جسم تغییر نمی کند که این به معنی این است که شتاب حرکت جسم صفر است. 

چارچوب مرجع لخت

مکان یا هر سرعت هر جسم فقط نسبت به اجسام دیگر معنی پیدا می کند. چارچوب مرجع نیز یک موجود فیزیکی است (مانند جاده، قطار، درخت و یا  خود کره ی زمین) که دستگاه مختصات به آن متصل شده است. چارچوب مرجعی که در آن قانون اول نیوتون صادق باشد، چهارچوب مرجع لخت نامیده می شود. چنین چارچوب هایی با استفاده از قانون اول نیوتون تعریف می شوند:

"در چارچوب های مرجع لخت، جسمی که تحت تاثیر نیروی خالصی نباشد یا ساکن می ماند یا با سرعت ثابت حرکت می کند".

بنابراین هر چارچوبی که نسبت به یک چارچوب لخت با سرعت ثابت در حرکت باشد خودش نیز یک چهارچوب لخت است.

جرم 

یک تعریف مناسب برای جرم که از قانون اول نیوتون حاصل می شود، این است که:

"جرم یک جسم معیاری از لختی یا مقاومت در برابر تغییر سرعت است."

می دانیم که جرم کمیتی اسکالر و خاصیت ذاتی هر جسم است و به مکان جسم بستگی ندارد. برای مقایسه جرم های دو جسم، دو جسم مورد نظر را روی سطحی بدون اصطکاک قرار می دهمی و به هر دو نیروی مساوی F را وارد می کنیم، مشاهدی می کنیم که جسم سنگین تر شتاب کمتری نسبت به جسم سبکتر دارد. حالا اگر نیروی به جسم m₀ شتاب a₀ را بدهد، و همین نیرو به جسم m_x شتاب a_x را بدهد، نسبت این دو جرم برابر است با:

(1-5)                                                                           

با حل این معادله برای m_x و قرار دادن مقادیر  این کمیت ها خواهیم داشت:

(2-5)                                          

قانون دوم نیوتون   

((نیروی خالص وارد بر جسم برابر است با حاصل ضرب جرم جسم در شتاب جسم))

این قانون چگونگی ارتباط بین شتاب، جرم و نیروی وارد شده به جسم را بیان می کند:

(3-5)                                                                         

در سه بعد، برای مولفه های نیرو داریم:

(4-5)                                      

مشاهده می کنیم که شتاب داده شده به جسم در جهت نیروی وارد شده بر آن است. توجه داشته باشید که جهت حرکت جسم (جهت سرعت) در حالت کلی با جهت نیروی وارد بر آن یکی نیست. همچنین قبلا گفته شد که شتاب هر جسمی در تمام چارچوب های مرجع لخت یکسان است، که این نتیجه می دهد: قانون دوم نیوتون در تمام چارچوب های مرجع لخت شکل یکسانی دارد. یکای نیرو در SI کیلوگرم-متر بر مجذور ثانیه است که نیتون نامیده می شود:

(5-5)                                              

نیروهای خاص  

نیروی گرانشی

نیروی گرانشی نوعی خاصی از نیروی جاذبه است که دو جسم به واسطه ی جرم هایشان به یکدیگر وارد می کنند. در اینجا ما نیروی گرانشی ناشی از برهمکنش اجسام مختلف با زمین را بررسی می کنیم. بنابراین نیروی گرانشی وارد به اجسام مختلف همواره به طرف مرکز زمین بوده و مقدار آن برابر است با:

(6-5)                                                                       

(7-5)                                                                       

که در آن g شتاب سقوط آزاد است.

ما می توانیم قانون دوم نیوتون را برای نیروی گرانشی به شکل برداری بنویسیم:

(8-5)                                                          

وزن

وزن یک جسم W برابر است با اندازه ی نیروی خالصی که برای جلوگیری از سقوط آزاد جسم لازم است. برای مثال شما برای اینکه  توپی را در دست خود در حالت سکون نگه دارید، باید نیرویی برابر نیروی گرانشی وارد بر جسم و در خلاف جهت به آن وارد کنیم. ما می توانیم قانون دوم نیوتون را برای محور y  با جهت مثبت به طرف بالا به شکل زیر بنویسیم:

(9-5)                                                                      

اگر جسم حرکت نکند شتاب آن صفر خواهد بود:

(10-5)                                                                  

(11-5)                                                                        

بنابراین وزن جسم برابر است با بزرگی نیروی گرانش وارد بر جسم:

(12-5)                                                                        

نیروی عمودی سطح (نیروی تماسی)

اگر شما روی سطحی ایستاده باشید. زمین نیروی گرانشی به طرف پایین به شما وارد می کند، اما شما ساکن باقی می مانید، این به دلیل است که نیرویی از طرف سطح به طرف بالا و بزرگی برابر با نیروی گرانش به شما وارد می شود.

هنگامی که جسمی بر روی یک سطح نیرو وارد می کند، سطح تغییر شکل داده و نیرویی عمودی F_N به جسم وارد می کند که این نیرو بر سطح عموداست.

طبق شکل 5-4 ما می توانیم قانون دوم نیوتون را برای محور y ها  به شکل زیر بنویسیم:

 (13-5)                                                                

با قرار دادن مقدار نیروی گرانش خواهیم داشت:

(14-5)                                                               

بنابراین بزرگی نیروی عمودی سطح برابر است با:

(15-5)                                                  

هنگامی که شتاب حرکت در راستای محور y برابر صفر باشد، داریم:

(16-5)                                                                  

اصطکاک

اصطکاک نوعی نیروی تماسی است که با حرکت نسبی دو جسم که با هم در تماس اند مخالفت می کند. به طور کلی ویژگی های این نیرو به شرح زیر است:

1-     نیروی اصطکاک متناسب با نیروی است که دو جسم را به هم می فشارد.

2-     نیروی اصطکاک بستگی محسوسی به مساحت سطح تماس دو جسم ندارد.

3-     نیروی اصطکاک (در سرعت های نسبتا کم) مستقل از سرعت است.

کشش:

وقتی یک ریسمان ( یا طناب، نخ، کابل و ... ) به یک جسم متصل کنیم و آن را بکشیم، ریسمان نیز جسم را با نیروی T به طرف ما می کشد. این نیرو در امتدار ریسمان است و اغلب نیروی کشش ریسمان (کشش) نامیده می شود. ریسمان اغلب بدون جرم و غیر ارتجاعی در نظر گرفته می شود.

شکل 5-6، نیروی وارد بر دو انتهای طناب از نظر بزرگی یکسان هستند.

قانون سوم نیوتون

وقتی به جسمی نیرو وارد می کنیم احساس می کنیم که جسم نیز نیرویی به ما وارد می کند، هر چه میزان نیرویی که ما به جسم وارد می کنیم بیشتر باشد، نیروی که به ما وارد می شود نیز بیشتر است. قانون سوم نیوتون یا قانون کنش و واکنش می گوید: هنگامی که دو جسم با هم برهمکنش دارند (به یکدیگر نیرو وارد می کنند)، نیروی وارد شده بر هر جسم از طرف جسم دیگر، از نظر بزرگی برابر و در جهت مخالف هم هستند.

برای صندوق چوبی و کتاب در شکل 5 -7، بزرگی دو نیرو برابر و در جهت مخالف یکدیگر هستند بنابراین به شکل برداری می توانیم بنویسیم:

 (17-5)                                                                   

شکل 5-7، (a) کتاب به صندوق چوبی تکه داده است. (b) نیروهای وارد شده بر کتاب و صندوق.

و در شکل 5-8 برای برهمکنش میز - گرمک داریم:

(18-5)                                                                  

که در آن F_CE و F_EC در شکل 5- نشان داده شده است.

و برای برهمکنش گرمک - زمین می توانیم بنویسیم:

(19-5)                                                                 

که در آن F_CT و F_TC در شکل نشان داده شده است.

نیرو های وارد بر هواپیما 

نیروی وزن

وزن نیرویی است که جهت و راستای آن همواره به سمت مرکز کره زمین می‌باشد. کمیت یا مقدار وزن به جرم تمامی اجزای هواپیما به اضافه میزان سوخت و هرگونه بار دیگر هواپیما (از قبیل سرنشینان ، چمدانها ، محموله و غیره) بستگی دارد. این وزن در سرتاسر هواپیما توزیع می‌گردد، با این وجود می‌توانیم چنین تصور کنیم که وزن جمع شده در نقطه‌ای به نام مرکز ثقل عمل می‌کند.

هواپیما در زمان پرواز حول مرکز ثقل تغییر زاویه می‌دهد. در پرواز دو مسئله عمده وجود دارد؛ اعمال نیروی متقابل برای غلبه بر وزن یک شی و کنترل آن شی در زمان پرواز. هر دوی این مسایل وابسته به وزن آن جسم و محل قرارگیری مرکز ثقل می‌باشند. در حین پرواز مادامی که سوخت هواپیما مصرف می‌شود، وزن هواپیما دائماً تغییر می‌کند، بدین ترتیب نحوه‌ی پراکندگی وزن کل و محل مرکز ثقل نیز عوض می‌شود. از اینرو خلبان بر آن است که برای حفظ تعادل و تنظیم هواپیما پیوسته فرامین را کنترل و تنظیم نماید

نیروی برا

هواپیما برای چیرگی بر نیروی وزن ، نیرویی مخالف با نام نیروی برا تولید می‌کند. برا از حرکت هواپیما در هوا حاصل گردیده و نیرویی آیرودینامیک یا به بیان فارسی هوا پویا می‌باشد. "آیرو" یعنی هوا و "دینامیک" نیز به معنای حرکت و پویایی است. بردار نیروی برا عمود بر راستای جهت پرواز هواپیما می‌باشد. بزرگی این نیرو به عواملی چند از قبیل شکل ، اندازه و سرعت حرکت هواپیما بستگی دارد، لازم به ذکر است که بالها بیشترین میزان نیروی برا را تولید می‌کنند و این نیرو در نقطه‌ای واحد به نام مرکز فشار عمل می‌کند.

مرکز فشار هم درست مثل مرکز ثقل تعریف می‌شود، با این تفاوت که بجای توزیع وزن ، توزیع فشار حول بدنه را خواهیم داشت. پراکندگی و انتشار نیروی برا در سراسر بدنه نقش خطیری در حل مسایل کنترلی ایفا می‌نماید. سطوح آیرودینامیکی جهت کنترل هواپیما در حرکات غلتش ، پیچش و سمتش استفاده می‌گردند.

نیروی پسا

نیروی آیرودینامیکی دیگری هم در زمان پرواز حضور دارد، که به دنبال مقاومت هوا در برابر حرکت هواپیما حاصل می‌شود. و این نیروی مقاومت کننده نیروی پسا نام دارد. نیروی پسا به موازات و در خلاف جهت پرواز عمل می‌نماید. همانند برا، عوامل زیادی هستند که بر کمیت نیروی پسا تأثیر می‌گذارند، که این عوامل شامل شکل هواپیما ، "چسبناکی هوا" و سرعت پرواز می‌باشند. مولفه‌های نیروی پسا همچون نیروی برا تجمیع گردیده و در یک نقطه‌ واحد که همان مرکز فشار هواپیماست عمل می‌کنند.

نیروی کشش

هواپیما برای غلبه بر پسا از سیستم پیشرانه استفاده کرده و نیرویی به نام نیروی (کشش) رانش تولید می‌کند. جهت نیروهای رانش (کشش) به چگونگی اتصال موتورها به هواپیما بستگی دارد، در این نوع هواپیما زیر بالها دو موتور توربینی به موازات بدنه تعبیه شده است، بطوری که باعث می‌شود نیروی رانش (کشش) در امتداد خط مرکزی بدنه عمل ‌کند. در بعضی هواپیماها مثل هواپیمای عمود پرواز هاریر سیستم به گونه‌ای است که می‌توان جهت نیروی رانشی را تغییر داد تا هواپیما بتواند از باندی کوتاه برخیزد.

کمیت نیروی رانش به عوامل متعددی بستگی دارد که با سیستم پیشرانه در ارتباط می‌باشند، این عوامل شامل نوع موتور ، تعداد موتورها و سیستم گاز می‌باشند. در مورد موتورهای جت اغلب این مسئله باعث اشتباه می‌شود، چرا که نیروی رانش هواپیما ناشی از واکنشی است که از خروج شدید و سریع گاز گرم از اگزوز ، صورت می‌پذیرد. این گاز داغ از پشت خارج می‌شود. ولیکن نیروی رانش در خلاف جهت آن ، یعنی رو به جلو عمل می‌کند.

یعنی همان کنش / واکنش که در قانون سوم نیوتون توضیح داده شده است. چگونگی حرکت هواپیما در هوا بستگی به مقاومت نسبی و جهت نیروهایی دارد که در بالا متذکر شدیم. مادامی که این نیروها متعادل باشند، هواپیما با سرعتی ثابت و بلاتغییر حرکت خواهد کرد، در غیر این صورت (یعنی اگر نیروها ناتعادل باشند) جهت شتاب ‌گیری هواپیما به سمت بزرگترین نیرو خواهد بود.

توجه داشته باشید که وظیفه موتور تنها غلبه بر نیروی پسای هواپیماست، نه این که نیروی برا حاصل کند. یک هواپیماهای مسافری یک میلیون پوندی ، 4 موتور دارد که بطور کل 200.000 پوند نیروی رانش تولید می‌کنند. این بالها هستند که باعث ایجاد برا می‌شوند، نه موتورها. در حقیقت هواپیماهایی با نام گلایدر یا هواسر هم وجود دارند که هیچ موتوری نداشته و در عین حال خیلی خوب پرواز می‌کنند. در این نوع هواپیماها به منظور شروع حرکت لازم برای ایجاد برا توسط بالها می‌بایست از یک منبع خارجی نیرو بهره جست.

اما هنگام پرواز دو نیروی پسا و برا متقابلا در برابر نیروی وزن قرار می‌گیرند. هواپیماهای کاغذی مثال واضحی از این هواپیماها می‌باشند، معهذا انواع گوناگونی از گلایدرها وجود دارند. بعضی از آنها نخست توسط یک هواپیمای موتوردار در هوا یدک شده ، سپس رها می‌شوند و می‌توانند قبل از فرود مسافتهای طویلی را طی کنند. شاتل فضایی نیز هنگام بازگشت به جو و فرود همانند گلایدر عمل می‌کند و از موتورهای راکتی فقط به منظور ورود شاتل به فضا استفاده می‌گردد.

نیرو وزن

جرم یعنی مقدار ماده تشکیل دهنده یک جسم این شخص 100 کیلوگرم( 100 Kg) است.

وزن =جرم × نیروی جاذبه    یعنی:       نیوتن 980 =100× 8 / 9
آیا برهمه اجسام  به طور از طرف زمین نیرو وارد می شود؟ بله
آیا به گلوله ای که از یک تفنگ شلیک می شود هم نیرو وارد می شود/؟ بله
 این فرضیه زیر را بررسی کنید:
عقربه  باک بنزین هواپیمای  باری که شما خلبان ان هستیددرجه خالی رانشان میدهد.موتورها خاموش شده است. سر هواپیما رو به زمین است ودر حال سقوط است. شما از کابین  به طرف عقب هواپیما جایی که چتر نجات قرار داردمی دوید. اما یک جعبه بزرگ بار مسیر شمارا مسدود کرده است. حالا چه می کنید؟
 
مشکلی نیست.! چون وزن جعبه روی کف هواپیما به طور معمول صفر است. نیازی نیست که انرا  بلند کنید یا آن را روی کف هواپیما بکشید. شما نیروی کمی لازم دارید .تا آنرا با فشار پای خود به طرف دیگری   هل دهید .چطو ر امکان دارد؟

اجازه دهید به وضعیت  جعبه در شرایط پرواز عادی یک نگاهی کنیم  .  در شرایط عادی وزن جعبه به کف هواپیما فشار وارد کرده، شما متوجه نیستید که هواپیما   با  کمک دو بال و4 نیرو (جلوبرنده ، پسا، وزن، بالا برنده)در هوا    در حال پروازو توازن است، که بر جعبه هم اثر می گذارد.  در شرایط سقوط  شما به طرف زمین حرکت می کنید ، درون هواپیما  ی سقوط  آزاداین جعبه سبک می شود.
 
وقتی هواپیما به طرف زمین در حال سقوط  آزاداست، دقیقا جعبه هم با همان نیروی  پرواز عادی بر اثر جاذبه به زمین کشیده می شود. از وقتی که  هواپیما در حال سقوط است زمین برهواپیما وجعبه نیرو وارد می کند. اما دیگر نیروهای هواپیما    دیگر بر جعبه اثر نمی گذارند تا آن را بالا نگهدارد  .چو ن هواپیما وجعبه هر دو در حال  سقوط هستند.  هردو حالت شناور پیدا می کنند. تا زمانی که به زمین بر خورد کند.
 
 ماهواره در مدا ردر شرایط بی وزنی هستند دقیقا مثل اشیای درون همان هواپیمای در حال سقوط  که در شرایط  بی وزنی قرار  می گیرند .
شاتل های فضایی (فضا پیما ها)  در مدار شان  در یک حالت شبیه سقوط ازاد(بی وزنی) به دور کره زمین می چرخند.

 
آیا سخت می توان تصور کرد؟
 تصور کنید درون یک فضا پیما  در چند متری از  سطح زمین در حال پرواز روبه طرف خورشید 100 کیلومتر به خط مستقیم پرواز کنید. در نقطه 100 کیلومتری  زمین به دلیل گرد بودن از شما دور می شود. .  یک فضا پیما در مدار خود با آنچنان سرعتی می چرخد که به نظر میرسد که در حال سقوط آزاد است . اما هیچ وقت به  زمین برخورد نمی کند.
اگر فقط نیروی جاذبه اثر بگذارد ،فضا پیما می افتد
اگر نیروی اینرسی اثر بگذارد فضاپیما در خط مستقیم حرکت می کند.
به سبب تاثیر دو نیروی متقابل وهمزمان جاذبه واینرسی  به دور زمین می چرخد.

فیلمی شگفت انگیز درباره نیرو

 

برای دانلود فیلمی زیبا از اصطحکاک ایستابی اینجا کلیک کنید .

اصطحکاک 

هنگامی که دو جسم به هم سایده می شوند

نیروی به وجود می آید که در برابر این ساییدگی

مقاومت می کند ، نام این نیرو اصطکالک است .

اجسامی که دارای سطح صافی  هستند کمتر از اجسام

زبر تولید اصطکاک می کنند .

بنابراین هر چه میزان اصطکاک کمتر باشد سرعت حرکت

اجسام هم بیشتر می شود .

به همین دلیل است که چر خهای قطار و ریلهای راه آهن

دارای سطحی صاف هستند .

هنگامی که می خواهیم از سرعت جسمی کم کنیم

باید اصطکاک را افزایش دهیم .

برای مثال با ترمز کردن اصطکاک ایجاد کرد و از سرعت ماشین کاست .

اگر دو جسم به سرعت به هم ساییده شوند،

اصطکاک تولید گرما می کند .

اگر دستهایتان را به هم مالش دهید می توانید گرمایناشی از اصطکاک را احساس کنید .

دو نوع اصطکاک وجود دارد: لغزنده و غلتان .

اصطکاک لغزنده بیشتر از صطکاک غلتان است و به همین دلیل است

که غلتاندن اجسام آسان تر از سُر دادن انها می باشد .

******************************

اصطکاک هم مفید است و هم مضر .

اصطکاک چه ضررهایی دارد؟وجود اصطکاک در

دستگاهای مختلف باعث فرسایش و فرسودگی آنها می شود.

علاوه بر این باعث گرم شدن اجزای دستگاه می شود

ومقادیر بسیار زیادی انرژی هدر می رود .

همچنین وجود اصطکاک باعث فرسودگی چرخ های اتومبیل

هم می شود . روغن کاری قسمتهای برای روغن کاری استفاده

می شود . استفاده  از بلبرینگ نیز اصطکاک را کاهش می دهد .

بلبرینگ ها دارای سطح گرد و صاف هستند

و به هنگام تماس با اجزای دیگر روی آنها می غلتند .

**************************************************

اصطکاک چه مرایایی  دارد ؟ بدون وجود اصطکاک تغییرات بسیاری در دنیای

به وجود می آمد.

در چنین حالتی ما نمی توانستیم راه برویم، چون کفشهایمان

روی زمین  می لغزیدند و ما سر می خوردیم .

بدون اصطکاک اتومبیل ها هم نمی توانستند حرکت کنند

چون چر خها روی زمین سر می خورند و فقط در یک نقطه

می چرخیدند . هیچ میخ و پیچی به طور ثابت روی دیوار ها

باقی نمی ماند . حتی در دست گرفتن اشیا نیز کار دشواری

بود و در دست گرفتن قلم و نوشتن هم به سختی صورت می

گرفت . بدون اصطکاک هیچ ساختمانی بنا نمی شود

زیرا هیچ آجری به آجر دیگری نمی چسبید .

اصطکاک در تغییرات آب و هوایی هم تأثیر می گذارد .

بدون اصطکاک سرعت وزش بادها بسیار زیاد می شد

چرا که سرعت ملکولهای هوا هنگام تماس با سطح  زمین

تنها به دلیل اصطکاک کم می شود.

نیروی اصطکاک:

1) شخص نیروی کمی بر جسم وارد می کند. جسم هیچ حرکتی نمی کند.

1) نیروی نسبتا بزرگی بر جسم وارد می کند. جسم به آرامی شروع به حرکت می کند.

3) شخصی در زمینی هموار جسم را هل می دهد. به محض اینکه دست از هل دادن بر میدارد. بعد از مدتی جسم می ایستد.

4) اتومبیلی در مسیر افقی در حال حرکت است به محض آنکه ترمز گرفته می شود بعد از مدت کوتاهی می ایستد.

در تمام این موارد، نیرویی در خلاف جهت حرکت، به جسم وارد می شود. این نیرو، اصطکاک نام دارد.

نیروی اصطکاک را در دو حالت بررسی می کنیم.

1) جسم بر روی سطح کشیده می شود ولی ساکن می ماند.
حالت اول: اگر به جسم نیروی کوچکی وارد کنیم ، جسم ساکن می ماند. نیروی اصطکاک در خلاف جهت به جسم نیرو وارد می کند و جلوی حرکت جسم را می گیرد.

حالت دوم: اگر مقدار نیرو را کمی افزایش دهیم، نیروی اصطکاک نیز افزایش می یابد و جلوی حرکت جسم را می گیرد، در این صورت باز هم جسم ساکن می ماند.
به این نیروی اصطکاک ، نیروی اصطکاک ایستایی گفته می شود.

حال اگر به این جسم نیروی نسبتا بزرگی وارد شود، جسم دیگر ساکن نمی ماند و شروع به حرکت می کند.
در این حالت نوع دوم نیروی اصطکاک را باید بررسی کنیم.
2) جسم بر روی سطح در حال حرکت است.
به این نیروی اصطکاک ، نیروی اصطکاک جنبشی گفته می شود.

نکته: جهت نیروی اصطکاک همواره در جهت مخالف حرکت جسم بر روی سطح است.

عوامل موثر بر نیروی اصطکاک:

الف- نیروی عمودی تکیه گاه که مقدار این نیرو همیشه برابر نیروی وزن است.

ب- جنس سطح تماس دو جسم :
صاف یا زبر بودن سطح
رطوبت

1) هر چه نیروی تکیه گاه(یا نیروی وزن جسم) بیشتر باشد، باید نیروی بیش تری برای جابه جایی آن به کاربرد یعنی نیروی اصطکاک بین دو سطح افزایش می یابد.

2) هر چه سطح تماس بین دو جسم ناصاف تر باشد، اصطکاک بیش تری بین دو سطح وجود دارد بنابراین برای جابه جایی جسم باید نیروی بیشتری وارد کرد.

3) رطوبت باعث می شود دو سطح با یکدیگر تماس کمتری داشته باشند، در نتیجه نیروی کمتری برای جابه جایی جسم لازم است.

نیروی اصطکاک در مواردی مفید و در موارد دیگر مضر است.
موارد مفید:

موارد مضر:
1) در هنگام حرکت اتومبیل، بخشی از انرژی مکانیکی اتومبیل صرف غلبه بر اصطکاک می شود.
2) در هنگام اسکی سواری

راههای کم کردن اصطکاک
1) صاف کردن سطوح (از بین بردن فرورفتگی و برجستگی های دو سطح)

2)استفاده از چرخ، غلتک، ساچمه

3) روغن کاری سطوح

4) استفاده از تخت هوا

در بعضی از انواع قطارها توده ی فشرده ای از هوا بین قطار و ریل فاصله می اندازد این کار باعث    می شود، اصطکاک بین ریل و قطار کاهش یافته و سرعت قطار افزایش یابد.

5) نوک تیز کردن سطوح: هر چه سطح جسمی کشیده تر باشد، سطح تماس آن با هوا کمتر است.
در اتومبیل های مسابقه برای کم شدن اصطکاک اتومبیل با هوای اطراف، اتومبیل ها را کشیده تر می سازند.

 

انواع اصطحکاک

اصطکاک نیروی مقاومتی است که در برابر حرکت اجسام به وجود می‌آید. این نیرو همواره در خلاف جهت حرکت ایجاد شده و با حرکت اجسام مخالفت می‌کند. برای ایجاد حرکت در اجسام باید نیرویی بزرگتر از نیروی اصطکاک در جهت حرکت اعمال کرد. اصطکاک به عواملی چون نیروی عمودی، شرایط سطح‌های تماس از نظر زبری، جنس سطح‌های تماس بستگی دارد و در صورتی که تغییرات دما به‌گونه‌ای باشد که موجب تغییر زبری سطح تماس شود، در افزایش یا کاهش اصطکاک موثر است.n نیروی عمودی تکیه‌گاه و μ ضریب اصطکاک است.

انواع اصطکاک

نیروی اصطکاک ایستایی
هرگاه به جسمی که بر یک سطح افقی در حالت سکون است نیروی افقی وارد شود و جسم حرکت نکند و در حال سکون باقی بماند، نشانگر آن است که برآیند نیروهای وارده بر آن صفر است. پس نیرویی به اندازه نیروی وارده، بر جسم وارد می‌شود که نیروی F را خنثی می‌کند. این نیرو، نیروی اصطکاک ایستایی نامیده می‌شود و از برهم‌کنش بین دو سطحی که نسبت به هم ساکن هستند و با هم در تماس‌اند به‌وجود می‌آید.

اگر نیروی F را بزرگتر کنیم به‌طوری که جسم در آستانه حرکت قرار گیرد، در این حالت نیروی اصطکاک در آستانه حرکت نامیده می‌شود.

نیروی اصطکاک جنبشی
با حرکت جسم جامد بر سطح جسم جامدی دیگر، نیرویی موازی سطح تماس به هریک از دو جسم از طرف جسم دیگر، وارد می‌شود که نیروی اصطکاک جنبشی نام دارد. نیروی اصطکاک جنبشی از برهم‌کنش بین دو سطحی که نسبت به هم متحرک می‌باشند و با هم تماس دارند به وجود می‌آید. جهت نیروی اصطکاک جنبشی در خلاف جهت حرکت جسم است.

همواره نیروی اصطکاک ایستایی بزرگتر از نیروی اصطکاک جنبشی است. طبق قانون اول نیوتن که قانون اینرسی هم نامیده می‌شود، جسم در حال سکون تمایل دارد در حالت سکون باقی بماند و چنان‌چه حرکت یک‌نواخت دارد به حرکت خود ادامه دهد. زمانی که به جسمی ساکن نیرو وارد می‌شود تا شروع به حرکت کند باید بر نیروی اینرسی و نیروی اصطکاک غلبه کرد. اما زمانی که جسم در حال حرکت یک‌نواخت و بدون شتاب است تنها غلبه بر نیروی اصطکاک وجود دارد، پس به نیروی کمتری نیاز خواهد بود.

در چیزهای جامد اصطحکاک به وسیله ی ناهمواری سطح دو جسمی که با هم تماس دارند، پدید می آید. بنابراین هر چه سطح اجسام صاف تر باشد اصطحکاکشان کمتر است. اصطحکاک میان اجسام جامد بر دو گونه است:

1.    ا (اصطحکاک لغزان). اصطحکاکی که بر اثر غلتیدن به وجود می آید

2.    ااصطحکاکی که به علت غلتیدن رخ می دهد ( اصطحکاک غلتان).

   اصطحکاکی که بر اثر غلتیدن به وجود می آید کمتر از اصطحکاک لغزان می باشد. از این رو اختراع چرخ یکی از بزرگ ترین اختراعات بشر بوده است. زیرا چرخ این امر را ممکن ساخت تا به هنگام بارکشی به جای اصطحکاک لغزان از اصطحکاک غلتان استفاده شود.

   هوا و آب اصطحکاک به وجود می آورند. از این رو ما هواپیما ها را آن گونه می سازیم که بتوانند در برابر هوا مقاومت کنند و فشار آن را بر سطح خود بکاهند. کشتی نیز به گونه ای ساخته شده که اصطحکاک با آب را کاهش دهد و بدین وسیله بتواند حرکت کند.

تقسیم‌بندی دیگری هم وجود دارد:

اصطکاکِ خشک
هرگاه بین دو جسم ماده سومی مانند روغن، آب و.. وجود نداشته باشد، اصطکاک به‌وجود آمده را اصطکاکِ خشک می‌نامند.
اصطکاکِ تر
اگر بین دو جسم ماده سومی مانند روغن، آب و... وجود داشته باشد، اصطکاک به‌وجود آمده را اصطکاکِ تر می‌نامند.