توجه : تمامی مطالب این سایت از سایت های دیگر جمع آوری شده است. در صورت مشاهده مطالب مغایر قوانین جمهوری اسلامی ایران یا عدم رضایت مدیر سایت مطالب کپی شده توسط ایدی موجود در بخش تماس با ما بالای سایت یا ساماندهی به ما اطلاع داده تا مطلب و سایت شما کاملا از لیست و سایت حذف شود. به امید ظهور مهدی (ع).

    نیرویی که در خلاف جهت حرکت جسم به آن وارد می شود چه نیرویی است

    1 بازدید

    نیرویی که در خلاف جهت حرکت جسم به آن وارد می شود چه نیرویی است را از سایت پست روزانه دریافت کنید.

    نیرو

    نیرو

    نیرو در فیزیک کمیت برداری است که باعث شتاب گرفتن اجسام می‌شود در واقع نیروی خالص عامل شتاب است. نیرو را به‌طور شهودی می‌توان با کشیدن یا هُل‌دادن توصیف کرد. شتاب جسم متناسب است با جمع برداری همهٔ نیروهای وارد بر جسم. در یک جسم صُلب (یعنی جسمی که ابعادش در فضا گسترده‌است و نمی‌توان آن را با یک نقطه تقریب زد) نیرو می‌تواند جسم را بچرخاند، تغییرشکل دهد یا فشار وارد بر آن را بیفزاید. اثرات چرخشی با گشتاور و تغییر شکل یا فشار با تنش توصیف می‌شوند. نیرو حاصل برهم کنش یا اثر متقابل دو جسم بر یکدیگر است.

    تاریخچه[ویرایش]

    مفهوم نیرو از زمان‌های دور، در استاتیک و دینامیک مورد استفاده قرار گرفته‌است. مطالعات باستانی روی استاتیک، در قرن سوم قبل از میلاد، در کارهای ارشمیدس به حد نهایی خود رسید که هم‌اکنون نیز قسمت‌هایی از فیزیک مدرن را تشکیل می‌دهند. در مقابل، دینامیک ارسطو، سوء تعبیرهایی شهودی از نقش نیرو ایجاد کرد که نهایتاً در قرن هفدهم و به خصوص در کارهای ایزاک نیوتن، تصحیح شدند. با پیشرفت مکانیک کوانتومی، هم‌اکنون می‌دانیم که ذرات از طریق برهم کنشهای بنیادین، بر یکدیگر اثر می‌گذارند و لذا مدل استاندارد فیزیک ذرات، ادعا می‌کند که هر چیزی که اساساً به عنوان نیرو مشاهده می‌شود، در حقیقت توسط بوزونهای معیار تأثیر می‌گذارد. تنها چهار برهم کنش اساسی شناخته شده که به ترتیب قدرت عبارتند از: قوی، الکترومغناطیسی، ضعیف (که در سال ۱۹۷۰، الکتروضعیف (electroweak)به یک برهم کنش واحد انجام شدند) و گرانشی. نیوتون یکی از بزرگ‌ترین پژوهش گران در مورد نیرو است.

    مفاهیم پیش از نیوتن[ویرایش]

    مشهور است که ارسطو، نیرو را به عنوان هر چیزی که باعث می‌شود شیئی یک «حرکت غیرطبیعی» انجام دهد، توصیف کرد.

    از قدیم، مفهوم نیرو برای کار کردن هر یک از هفت نوع ماشین ساده، اساسی تلقی می‌شده‌است. کمک مکانیکی که یک ماشین ساده فراهم می‌آورد، اجازه می‌داد تا یک نیروی کم را برای اثر گذاشتن روی جسمی در فاصله دورتر به کار برد. تجزیه تحلیل ویژگی‌های این چنین نیروها نهایتاً در کارهای ارشمیدس به غنی‌ترین حالت خود رسید، که به خصوص به خاطر فرمول‌بندی‌کردن رفتار «نیروهای شناور» نهفته در سیالات معروف است.

    پیشرفت‌های فلسفه‌ای مفهوم یک نیرو در کاهایی از ارسطو به چشم می‌خورد. در کیهان‌شناسی ارسطویی، دنیای طبیعی چهار عنصر را نگه می‌داشت که در «حالات طبیعی» وجود داشتند. ارسطو عقیده داشت که برای اشیاء سنگین روی زمین مانند آب و زمین، حالت طبیعی این است که بدون حرکت روی زمین بمانند و این که آن‌ها اگر تنها باشند، تمایل دارند به این حالت برسند. او بین میل ذاتی اشیاء برای رسیدن به «جای طبیعی» (برای مثال افتادن اشیاء سنگین) که به یک حرکت طبیعی منجر می‌شود، و حرکت غیرطبیعی یا اجباری که به عملکرد پیوسته یک نیرو محتاج است، تمایز قایل شد. این نظریه مبتنی بر مشاهدات روزمره این که اشیاء چگونه حرکت می‌کنند (مثلاً این که عملکرد ثابت یک نیرو برای حرکت کردن یک ارابه لازم است) مشکلات مفهوم زیادی از جمله برای توجیه رفتار پرتابه‌ها (مثلاً حرکت یک پیکان) داشت. این کاستی‌ها به‌طور کامل در قرن هفدهم در کارهای گالیله حل شد که متأثر از این ایده موجود در اواخر قرون وسطی بود که اشیائی که در یک حرکت اجباری هستند، یک نیروی ذاتی جنبشی با خود حمل می‌کنند.[نیازمند منبع]

    گالیله در اوایل قرن هفده آزمایشی انجام داد که در آن سنگ‌ها و گلوله‌های توپی هر دو به پایین غلت داده می‌شدند تا به این وسیله نظریه حرکت ارسطو را رد کند. او نشان داد که اشیاء به مقداری مستقل از جرمشان، توسط گرانش شتاب می‌گیرند و بحث کرد که اشیاء همواره سرعت اولیه خودشان را بازمی‌یابند مگراینکه روی آن‌ها نیروی مثلاً اصطکاک عمل کند.

    مدل‌های بنیادی نیرو[ویرایش]

    همهٔ نیروهایی که در جهان دیده می‌شوند، از چهار نیروی بنیادی سرچشمه می‌گیرند. نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف فقط در اندازه‌های بسیار کوچک دیده می‌شوند و اجزای بنیادی ماده (ذرات زیراتمی) را در کنار هم نگه می‌دارند. نیروی الکترومغناطیسی بین بارهای الکتریکی و نیروی گرانش بین اجسام جرم‌دار اثر می‌کند. همهٔ نیروهای دیگر در طبیعت بر پایهٔ این چهار نیرو هستند. مثلاً نیروی اصطکاک به خاطر برهم‌کنش الکترومغناطیسی بین اتم‌های سطح دو جسم است یا نیروی فنر (قانون هوک) نیز به خاطر نیروهای الکترومغناطیسی بین اتم‌های سازندهٔ فنر است. نیروهای مرکزگرا (یا گریزازمرکز) در واقع نیروهای مَجازی هستند که به خاطر چرخش دستگاه مختصات دیده می‌شوند.

    نیروهای نابنیادی[ویرایش]

    خیلی وقت‌ها در توصیف پدیده‌ها از برخی جزئیات آن‌ها چشم می‌پوشیم. این کار باعث می‌شود بتوانیم مدل‌های ساده‌ای برای آن‌ها بسازیم و نیروهایی را تعریف کنیم که پدیده را به تقریب توصیف می‌کنند.از مهم ترین ها این نیرو ها می توان به نیروی اصطکاک، نیروی مقاومت شاره، نیروی عمودی تکیه گاه، نیروی کشش ریسمان و..

    نیروی عمودبرسطح[ویرایش]

    وقتی جسمی را روی سطح همواری می‌گذاریم، نیروی گرانشی به آن وارد می‌شود. برای این که جسم در سطح فرونرود، نیرویی نیز از سوی سطح به جسم وارد می‌شود. این نیرو به خاطر رانش الکترومغناطیسی بین اتم‌های جسم و اتم‌های سطح است و نیروی عمودبرسطح نام دارد. مقدار این نیرو همیشه به اندازه‌ای است که نیروهای دیگر عمود بر سطح (مانند وزن جسم) را خنثی کند.

    اصطکاک[ویرایش]

    اصطکاک نیرویی است که با حرکت دو سطح نسبت به هم مخالفت می‌کند. مقدار این نیرو متناسب است با نیروی عمودبرسطح بین دو جسم. در مدل‌های ساده‌شده، اصطکاک را در دو دستهٔ اصطکاک جنبشی و اصطکاک ایستایی رده‌بندی می‌کنند.

    نیروی اصطکاک ایستایی f s {\displaystyle f_{s}} وقتی دو جسم نسبت به هم ساکن‌اند به هر یک از دو جسم وارد می‌شود و دقیقاً مخالف نیرویی است که می‌خواهد دو جسم را نسبت به هم بلغزاند. این نیرو مقدار بیشینه‌ای دارد که با نیروی عمودبرسطح متناسب است:

    ضریب تناسب μ s {\displaystyle \mu _{s}} ضریب اصطکاک ایستایی نام دارد و وابسته به ویژگی‌های دو سطح است. مقدار نیروی اصطکاک می‌تواند بین صفر تا این مقدار بیشینه تغییر کند.

    نیروی اصطکاک جنبشی f k {\displaystyle f_{k}} وقتی دو جسم نسبت به هم در حرکتند به هر یک از دو جسم وارد می‌شود و مقدار آن ثابت و برابر با f k = μ k N {\displaystyle f_{k}=\mu _{k}N} است. این نیرو در خلاف جهت حرکت دو جسم نسبت به یکدیگر است و با حرکت آن‌ها مخالفت می‌کند. ضریب تناسب μ k {\displaystyle \mu _{k}} ضریب اصطکاک جنبشی نام دارد و وابسته به ویژگی‌های دو سطح است. μ k {\displaystyle \mu _{k}} معمولاً کوچک‌تر از μ s {\displaystyle \mu _{s}} است.

    مدل ساده‌شدهٔ بالا فقط به تقریب درست است. مثلاً در این مدل نیروی اصطکاک به مساحت تماس دو جسم وابسته نیست، حال آن‌که در عمل این نیرو به سطح تماس دو جسم بستگی زیادی دارد.

    نیروی مقاوم شارّه[ویرایش]

    نیروی مقاومت شاره هنگامی که جسمی با سرعت در یک شاره (سیال) مانند آب یا هوا حرکت ‌کند به علت برخورد ذرات سازنده شاره به آن جسم وارد می‌شود. این نیرو خلاف جهت حرکت جسم است و مقدارش تابعی از سرعت جسم است و همچنین به اندازه سطح برخورد جسم با ذرات شاره هم وابسته است.

    مکانیک نیوتنی[ویرایش]

    ایزاک نیوتن، اولین کسی است که به‌طور صریح بیان کرده‌است که یک نیروی ثابت، یک میزان ثابت تغییر (مشتق زمانی) اندازه حرکت را موجب می‌شود. در حقیقت او اولین و تنها تعریف مکانیکی نیرو را ارائه داد (به صورت مشتق زمانی اندازه حرکت: F = d p d t {\displaystyle F={\frac {dp}{dt}}} ).

    در سال ۱۶۸۷ نیوتن کتاب "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica " خود را چاپ کرد که در آن او از مفاهیم اینرسی، نیرو و ایستایی برای توصیف حرکت اشیاء استفاده کرد.

    خدمت بعدی نیوتن به نظریۀ نیرو، قانو‌مند کردن حرکت اجسام آسمانی بود که ارسطو با مشاهده حرکت روی زمین، می‌پنداشت که آن‌ها در یک حالت طبیعی حرکت ثابت هستند. او قانون جاذبه را ارائه داد که می‌توانست برای حرکت‌های آسمانی که قبلاً توسط قانون حرکت سیاره‌ای کپلر قابل توجیه بودند، به‌کار رود. مدل نیروی جاذبۀ او چنان قوی بود که از آن برای پیش‌بینی وجود اجسامی بزرگ همانند نپتون استفاده شد، قبل از اینکه آن‌ها را واقعاً مشاهده کنند.

    قوانین حرکت نیوتن[ویرایش]

    هر چند معروف‌ترین معادله ایزاک نیوتن F = m a {\displaystyle F=ma} است، او در واقع شکل دیگری از قانون دوم حرکت خود، با استفاده از حساب دیفرانسیل ارائه کرد. در کتاب "Principia Mathematica"، نیوتن سه قانون حرکت ارائه کرده‌است که رابطه‌ای مستقیم با چگونگی توصیف نیروها در فیزیک دارند.

    قانون اول نیوتن[ویرایش]

    قانون اول نیوتن دربارهٔ شرایط لازم برای سکون بحث می‌کند و به ویژه «اینرسی» را تعریف می‌کند که به جرم یک جسم مربوط است. با در نظر گرفتن ایده ارسطویی «حالت طبیعی»، شرط سرعت ثابت چه در حالت صفر و چه در حالت ناصفر، اینک «حالت طبیعی» اشیاء سنگین تلقی می‌شود. اشیاء به حرکت خود در حالت سرعت ثابت ادامه خواهند داد مگراینکه تحت تأثیر یک نیروی نامتعادل خارجی قرار گیرند.

    قانون دوم نیوتن[ویرایش]

    اغلب نیرو را با استفاده از قانون دوم نیوتن، به صورت حاصلضرب جرم m در شتاب a {\displaystyle {\vec {a}}} تعریف می‌کنند. فرمول F = m a {\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}} گاهی به عنوان دومین فرمول معروف فیزیک تلقی می‌شود. نیوتن هرگز F = m a {\displaystyle F=ma} را به صورت صریح بیان نکرد، بلکه قانون دوم نیوتن در کتاب "Principia Mathematica" به صورت معادله دیفرانسیل برداری

    توصیف شده‌است، که در آن p {\displaystyle {\vec {p}}} اندازه حرکت سیستم است. نیرو میزان تغییر اندازه حرکت در واحد زمان است. شتاب میزان تغییر سرعت در واحد زمان است. این نتیجه که به صورت نتیجه‌ای مستقیم caveat در قانون اول نیوتن حاصل می‌شود، نشان می‌دهد که عقیده ارسطویی که یک نیروی شبکه‌ای لازم است تا یک شیئ در حال حرکت را با سرعت ثابت (و لذا با شتاب صفر) حفظ کند، به وضوح غلط بوده و فقط نتیجه یک تعریف نادقیق نبوده‌است.

    استفاده از قانون دوم نیوتن به هر یک از صورتهایش به عنوان تعریف نیرو، در برخی از کتاب‌های درسی غیر دقیق تر، بی‌اعتبار معرفی شده‌است. زیرا این تعریف، همه محتویات تجربی را از قانون حذف می‌کند. در حقیقیت، F {\displaystyle {\vec {F}}} در این معادله بیانگر یک نیروی شبکه‌ای (جمع برداری) است؛ در حال سکون، طبق تعریف، این بردار، صفر است. اما با این وجود نیروهایی متعادل موجود هستند و در واقع، قانون دوم نیوتن، نحوه تناسب شتاب و جرم را با نیرو بیان می‌کند که کدام یک از آن‌ها را می‌توان بدون مراجعه به نیرو تعریف کرد. شتاب را می‌توان با محاسبات حرکت‌شناسی (سینماتیک) تعریف کرد و نیز جرم را می‌توان مثلاً از طریق شمارش اتم‌ها تعیین کرد. اما با وجود اینکه سینماتیک در تجزیه و تحلیل‌های پیشرفته فیزیکی بسیار کارآمد است، هنوز سئوالات عمیقی وجود دارد از جمله اینکه تعریف دقیق جرم چیست؟ نسبت عام یک هم‌ارزی بین زمان فضای جرم معرفی می‌کند، اما بدون یک نظریه جامع گرانش کوانتومی، این هم‌ارزی گنگ می‌باشد چرا که معلوم نیست که آیا و چگونه این ارتباط در مقیاسهای میکروسکوپی برقرار است. با اندکی توجیه بیشتر، قانون دوم نیوتن را می‌توان به عنوان تعریف کمّی از جرم تلقی کرد به این صورت که قانون را به صورت یک تساوی نوشته، واحدهای نسبی نیرو و جرم را ثابت نگه داریم.

    تعریف نیرو گاهی سئوال‌برانگیز است چرا که یا نهایتاً باید به درک شهودی ما از مشاهدات مستقیم رجوع کند یا به صورت ضمنی از طریق یک فرمول خودسازگار ریاضی تعریف شود. فیزیکدانان، فیلسوفان و ریاضیدانان معروفی که به دنبال تعریفی صریح تر از نیرو گشته‌اند، عبارتند از: Ernst Mach, Clifford Truesdell and Walter Noll.

    پس از کسب موفقیت‌های تجربی، قانون نیوتن معمولاً برای اندازه‌گیری قدرت نیروها مورد استفاده قرار می‌گیرد. (برای مثال با استفاده از گردش‌های نجومی، نیروهای گرانشی اندازه‌گیری می‌شوند) با این وجود، نیرو و کمیتهایی که برای اندازه‌گیری آن مورد استفاده قرار می‌گیرند، همچنان مفاهیمی متمایز می‌باشند.

    قانون سوم نیوتن[ویرایش]

    قانون سوم نیوتن، از به کار بردن تقارن در موقعیت‌هایی که نیروها را می‌توان به وجود اشیائی مختلف نسبت داده حاصل داده می‌شود. برای هر دو جسم (مثلاً ۱ و ۲) قانون سوم نیوتن بیان می‌کند که:

    این قانون بیان می‌کند که نیروها همواره به صورت عمل و عکس‌العمل رخ می‌دهند. هر نیرویی که از عمل شیئ ۲ به ۱ اثر می‌کند. به‌طور اتوماتیک با نیرویی همراه است که از عمل جسم ۱ بر روی جسم ۲ حاصل می‌شود. اگر اجسام ۱ و ۲ را در یک دستگاه یکسان در نظر بگیریم، نیروی شبکه‌ای روی سیستم حاصل از واکنش‌های بین اجسام ۱ و ۲، صفر است زیرا:

    این به این معناست که سیستم‌ها نمی‌توانند نیروهایی درونی تولید کنند که غیرمتوازن‌اند. اما اگر اشیاء ۱ و ۲ در سیستم‌های متمایز فرض شوند، آنگاه هر یک از این دو سیستم، نیروی نامتوازنی تجربه کرده طبق قانون دوم نیوتن نسبت به یکدیگر شتاب خواهد گرفت.

    با ترکیب کردن قوانین دوم و سوم نیوتن می‌توان نشان داد که اندازه حرکت خطی هر سیستم محفوظ می‌ماند. با استفاده از F 12 = d p 12 d t = F 21 = d p 21 d t {\displaystyle {\vec {F}}_{12}={\frac {d{\vec {p}}_{12}}{dt}}=-{\vec {F}}_{21}=-{\frac {d{\vec {p}}_{21}}{dt}}} و انتگرال‌گیری نسبت به زمان، معادله

    به دست خواهد آمد. برای سیستمی که شامل اشیاء ۱ و ۲ است، داریم

    که همان محفوظ ماندن اندازه حرکت خطی را بیان می‌کند. تعمیم این حقیقت به یک سیستم مشتمل بر تعداد دلخواهی از ذرات، کاری سر راست است. این نشان می‌دهد که تغییر اندازه حرکت بین اشیاء موجود در یک سیستم، تأثیری روی اندازه حرکت سیستم نخواهد گذاشت. به‌طور کلی از آنجایی که همه نیروها ناشی از برهم کنش اشیاء صلب است، می‌توان سیستمی تعریف کرد که در آن اندازه حرکت شبکه‌ای نه هرگز از بین می‌رود و نه هرگز به دست می‌آید.

    انواع نیرو[ویرایش]

    انواع نیرو از نظر محلی که به آن وارد می‌شود: نیروی متمرکز: بر یک نقطه از جسم وارد می‌شود. نیروی گسترده: بر سطحی مشخص از جسم وارد می‌شود که به آن فشار نیز می‌گویند. انواع نیرو از نظر اثر حرکتی که روی جسم می‌گذارند: نیروی عمودی: نیرویی که بر سطحی عمود بر سطح مورد نشر وارد می‌شود؛ که خود می‌تواند شامل نیروی کششی و فشاری باشد. نیروی خمشی: نیرویی است که سبب ایجاد خمش در یک جسم می‌باشد مانند نیروی وارد به تیرهای افقی ساختمان. در علوم مهندسی به آن لنگر خمشی نیز می‌گویند. نیروی پیچشی: نیرویی که سبب پیچش و گردش یک جسم حول محورش می‌شود مانند نیرویی که هوا بر ملخ هواپیما وارد می‌کند. نیروی کمانشی: اعمال نیرو به یک جسم دراز در جهت محور طولی آن مانند نیروی وارد بر تیرهای عمودی ساختمان یا نیروی وارد بر تیر چراغ برق نام نیرو ها اصطکاک گریز از مرکز الکتیریکی مغناطیسی بالابری مقاومت هوا یا آبنیروی الکتریکی نیروی الکتریکی یک نیروی بنیادی است و از بار الکتریکی مایه می‌گیرد. این نیرو ممکن است جاذبه (وقتی‌که دو بار الکتریکی غیر همنوع هستند) یا دافعه (وقتی ه دو بار الکتریکی همنوع هستند) باشد و مقدار آن با حاصل ضرب دو بار الکتریکی نسبت مستقیم و با مجذور فاصله دو بار الکتریکی نسبت معکوس دارد و رابطه آن در دستگاه SI بصورت F=q1q2/4пε0r2 نوشته می شود. هنگامیکه اجسام بادار ساکن باشند، در اینصورت نیروی الکتریکی را که بر یکدیگر وارد می‌کنند، نیروی جاذبه یا دافعه الکترواستاتیک است. نیروی گرانشی بر اساس قانون جهانی گرانش ، نیرویی که دو ذره به جرمهای m1,m2 و به فاصله r از هم به یکدیگر وارد می کنند ، نیروی جاذبه‌ای است که در امتداد خط واصل دو ذره اثر می کند. این نیرو با حاصلضرب جرم دو ذره نسبت مستقیم و با مربع فاصله بین دو ذره نسبت معکوس دارد. نیروی گرانشی برخلاف نیروی الکتریکی که آن نیز نیروی عکس مجذوری است، فقط یک نیروی جاذبه است. در این رابطه G ثابت جهانی گرانش بوده و مقدار آن برای تمام زوج ذرات یکسان است. نیروهای گرانشی به طور نسبی خیلی ضعیف هستند. نیروی جاذبه موجود بین اجسام یک نیروی بنیادی است. این نیرو را به اختصار نیروی گرانشی نیز می‌گویند. نیروی اصطکاک اگر جسمی بجرم m را در روی یک میز افقی دراز ، حرکت دهیم، سرانجام متوقف می‌شود. این گفته به این معنی است که جسم هنگام حرکت تحت اثر شتاب میانگین a که جهتش در خلاف جهت حرکت است قرار می‌گیرد. هرگاه جسم در یک چارچوب لخت شتاب بگیرد همواره نیرویی مطابق قانون دوم نیوتن به حرکت آن وابسته می‌کنیم، نیرویی که در اینجا شتاب a را در خلاف جهت حرکت جسم ایجاد کرده و موجب توقف جسم می‌گردد، نیروی اصطکاک گویند. نیروی جانب مرکز اگر حرکت دایروی یک ذره را از دید ناظری که در روی زمین ثابت است، بررسی کنیم در اینصورت این ناظر مشاهده می‌کند که ذره تحت تاثیر یک نیرویی که در امتداد شعاع حرکت دایروی و بطرف داخل بر آن وارد می‌شود، قرار دارد. این نیرو را نیروی جانب مرکز گویند که با جرم ذره و مجذور سرعت آن نسبت مستقیم و با شعاع مسیر حرکت دایروی نسبت عکس دارد و از رابطه F=mu2/R محاسبه می‌گردد. نیروی لخت معمولا در حرکت اجسام ، چارچوبهای مرجع که برای بررسی این حرکتها در نظر می‌گیریم، لخت هستند. اگر چنانچه بجای چارچوب لخت از یک چارچوب نالخت استفاده کنیم، در اینصورت باید از نیروهای غیر نیونی یا نیروهای لختی استفاده کنیم. بر خلاف نیروهای نیوتنی ، این نیروها را نمی‌توان به یک جسم مشخص در محیط ذره مورد نظر وابسته دانست. همچنین اگر ذره را از یک چارچوب مرجع لخت مشاهده کنیم، نیروهای لختی ناپدید می‌شوند. پس در واقع این نیروها را نوعی نیروی مجازی می‌توان در نظر گرفت که در انتقال از یک چارچوب لخت به یک چارچوب نالخت ظاهر می‌شوند. نیروی گریز از مرکز از جمله نیروهای لختی می‌توان نیروی گریز از مرکز را نام برد. اگر حرکت دایروی یک ذره را از دید ناظری که روی یک صفحه چرخان در یک چارچوب مرجع نالخت که به همراه ذره می‌چرخد بررسی کنیم، در اینصورت این ناظر ذره را ساکن می‌بینید. اما اگر این ذره را اندکی در امتداد شعاع دایره به طرف مرکز دایره بکشد، احساس می‌کند که ذره دوباره به عقب بر می‌گردد. و لذا از نظر این ناظر ذره تحت تاثیر یک نیرویی که در راستای شعاع و بطرف خارج است، قرار می‌گیرد. این نیرو را نیروی گریز از مرکز گویند. نیروی هوک یا نیروی فنری زمانی که یک جسم جامدی (مانند یک فنر) تغییر شکل پیدا می‌کند، به شرط اینکه تغییر شکل بیش از حد زیاد نباشد، جسم با نیرویی متناسب با مقدار تغییر شکل در آن مقاومت می‌کند که این نیرو را نیروی کشسانی فنر می‌گویند. نیروی پیش ران موشک در دستگاههای با جرم متغییر (که در آن جرم به نوعی تغییر می کند) آهنگ انتقال تکانه به داخل (یا خارج) دستگاه ، توسط جرمی که از دستگاه خارج ( یا به آن داخل) می شود ، را بصورت نیرویی تعبیر می‌کند که جرم خارج شده از (یا وارد شده به) دستگاه روی آن اعمال می کند. در حرکت موشک ، این نیرو را نیروی پیش ران موشک می گویند و هدف طراحان موشک این است که تا حد امکان این نیرو را بزرگتر کنند. نیروی مغناطیسی دو بار الکتریکی را در نظر می‌گیریم. اگر این بارها متحرک باشند ، به عبارت دیگر اگر بارها به ترتیب با سرعت های در حال حرکت یکنواخت باشند ، علاوه بر نیروی الکتریکی ، نیروی دیگری نیز به یکدیگر وارد می کنند که این نیرو را نیروی مغناطیسی گویند. این نیرو نیز مانند نیروی الکتریکی یک نیروی عکس مجذور فاصله است. با این تفاوت که این نیرو با سرعت بارها نیز نسبت مستقیم دارد. نیروهای الکترومغناطیسی این نیروها که به نیروهای لورنتس نیز معروف هستند ، دارای قدرت متوسط می باشند. نیروی الکترومغناطیسی ترکیب دو نیروی الکتریکی و مغناطیسی است. رابطه این نیرو به صورت است که در آن q بار الکتریکی ذره ، E میدان الکتریکی ، V سرعت ذره باردار و B میدان مغناطیسی است. نیروهای هسته‌ای این نیروها در واپاشی بتای هسته‌ها و در برهمکنش بسیاری از ذرات بنیادی دخالت دارند. این نیرو از نیروهای حاصل از برهمکنش های الکترومغناطیسی خیلی ضعیف‌تر هستند. از این رو برهمکنش واپاشی بتایی را برهمکنش ضعیف می گویند. پیش بینی می شود که عامل این برهمکنش ، میدان نیرویی است که نه هسته ای ، نه الکترومغناطیسی و نه گرانشی است. بنابراین به عنوان یکی از نیروهای بنیادی فیزیک محسوب می شوند.

    نیروهای هسته‌ای نوع دیگری از نیروها هستند که در فضای هسته وجود دارند. این نیروها دارای برد کوتاه بوده و در مقایسه با سایر نیروها بسیار قوی هستند. مفهوم کوتاه برد به این معنی است که به عنوان مثال در ساختمان اتم ، نیروهای الکتریکی بین الکترونها و هسته وجود دارد. اما اگر به هسته نزدیک شویم ، در فاصله تقریبا کمتر از یک فرمی (10-15 متر) این نیروها اعمال می‌شوند.

    جستارهای وابسته[ویرایش]

    منابع[ویرایش]

    منبع مطلب : fa.wikipedia.org

    مدیر محترم سایت fa.wikipedia.org لطفا اعلامیه بالای سایت را مطالعه کنید.

    اصطکاک

    اصطکاک

    اصطکاک یا مالش[۱] نیروی مقاومتی است که در برابر حرکت اجسام به وجود می‌آید. این نیرو فقط در خلاف جهت لغزش است و با لغزش اجسام مخالفت می‌کند. برای ایجاد لغزش در اجسام باید نیرویی بزرگ‌تر از نیروی اصطکاک در جهت حرکت اعمال کرد. (نیروی اصطکاک همواره بر حرکت مخالفت نمی‌کند.)

    انواع اصطکاک[ویرایش]

    نیروی اصطکاک ایستایی[ویرایش]

    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 که برابر با بیشینه نیروی اصطکاک ایستایی است.

    نیروی در آستانه حرکت در یک نقطه اتفاق می‌افتد که مشخصه‌ای برای محاسبه ضریب اصطکاک ایستایی می‌باشد، چنانچه نیروی اعمالی به جسم بیشتر از حد آستانه حرکت شود ضریب اصطکاک جنبشی درگیر خواهد شد که مقدار آن از مقدار ایستایی کمتر است همچنین شتاب جسم در آستانهٔ حرکت صفر می‌باشد.[نیازمند منبع]

    نیروی اصطکاک جنبشی[ویرایش]

    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.

    تقسیم‌بندی دیگری هم وجود دارد:

    اصطکاکِ خشک[ویرایش]

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

    اصطکاکِ تر[ویرایش]

    اصطکاک میان دو جسم که بین آنها روغن وجود دارد

    عملکرد اصطکاک[ویرایش]

    در خصوص نحوهٔ عملکرد نیروی اصطکاک در برخی منابع این گونه بیان شده‌است که علت وجود نیروی اصطکاک بین دو سطح در حال تماس جوش سرد است.[۲]

    برخی مواقع اصطکاک بین اجسام می‌تواند به باردار شدن آن‌ها بینجامد (مثل مالش پارچه به شیشه یا مالشی که بین ابرها.

    ضریب اصطکاک[ویرایش]

    ضریب اصطکاک (به انگلیسی: Coefficient of friction) (COF) عبارت است از مقدار نیروی عمودی بخش بر نیروی اصطکاک. طبق نظریه کولن ضریب اصطکاک هر ماده ثابت است. با این وجود آزمایش‌های انجام شده نشان می‌دهد ضریب اصطکاک به عواملی از جمله فشار تماس، سرعت لغزش، دما، تعداد چرخه‌های بارگذاری (number of cyclic reversals)، و غیره بستگی دارد.[۳]

    منابع[ویرایش]

    پیوند به بیرون[ویرایش]

    منبع مطلب : fa.wikipedia.org

    مدیر محترم سایت fa.wikipedia.org لطفا اعلامیه بالای سایت را مطالعه کنید.

    جهت نیروی اصطکاک

      1. مقدمه

    روند تدریجی آموزش و سادهسازی در یادگیری فیزیک، سبب میشود اغلب مطالب فیزیکی دوره متوسطه بهصورت سطحی و به دور از پیچیدگی مطرح شوند. محدود بودن مسئله به شرایط خاص و یا عدم تحلیل دقیق مسئله، میتواند پرسشهای گوناگون و گاهی متناقض را در ذهن دانشآموزان باهوش به وجود آورد. از اینرو، لازم است معلم در بیان مفاهیم به روابط دقیق توجه داشته باشد. یکی از مسائلی که معمولاً بنا به شرایط خاص مسئله و به سبب سادهسازی مورد بررسی قرار نمیگیرد، جهت نیروی اصطکاک است[2،1].

    با اینکه نیروی اصطکاک بهعنوان عامل بازدارندگی و اتلاف انرژی شهرت دارد اما در پاسخ به این پرسش که چه عاملی باعث میشود انسان روی زمین راه برود، مشاهده میشود که نیروی اصطکاک میتواند عامل حرکت نیز باشد. پیدا کردن جهت نیروی اصطکاک در انواع حرکتها میتواند پیچیده باشد[3]. در این مقاله با بیان چند مثال مختلف، به بررسی روشهای کلی تعیین جهت نیروی اصطکاک خواهیم پرداخت.

    زمانی که به جلو راه میرویم، اصطکاک در چه جهتی به پای ما وارد میشود؟

    اصطکاک چگونه باعث جلو رفتن اتومبیل و توقف آن میگردد؟ اگر به یک چرخ ساکن روی سطح افقی، نیروی افقی F را وارد کنیم، اصطکاک در چه جهتی بر آن اثر میکند؟ و آیا محل وارد کردن نیرو مهم است؟

    زمانی که یک مهره به جرم m روی تسمه نقاله میافتد، اصطکاک چگونه و در چه جهتی باعث حرکت مهره میشود؟

    در حرکت استوانه روی سطح شیبدار آیا جهت نیروی اصطکاک همیشه در خلاف جهت حرکت مرکز جرم استوانه است؟

    2. راه رفتن

    برای شروع بحث و بهعنوان یک مثال ساده برای تعیین جهت نیروی اصطکاک، ابتدا راه رفتن را مورد بررسی قرار میدهیم.از آنجاییکه نیروی اصطکاک تمایل دارد مانع لغزش سطوح روی یکدیگر شود[3]، باید بررسی شود که زمان قدم برداشتن، کف پای ما بهعنوان نقطه تماس بدن با سطح، تمایل دارد به کدام سمت حرکت کند؛ آنگاه نیروی اصطکاک در خلاف همان سمت است. با این توضیح، پا و سطح توسط نیروی اصطکاک به همدیگر نیرو (افقی) وارد میکنند بهطوریکه نیروی کنش به سطح و به سمت عقب وارد میشود و نیروی واکنش به پا و به سمت جلو وارد میشود که هر دو نیروی کنش و واکنش از جنس نیروی اصطکاک هستند. به عبارت دیگر، ما در هنگام قدم زدن، زمین زیر پای خود را به سمت عقب هل میدهیم و سطح ما را به سمت جلو هل میدهد. این یک مثال ساده از تعیین جهت نیروی اصطکاک است. در این حالت، اصطکاک رو به جلو و بسته به نوع سطح میتواند از نوع اصطکاک ایستایی یا جنبشی باشد. مثلاً هنگامی که روی یک سطح معمولی بدون سر خوردن حرکت میکنید اصطکاک ایستایی است. در حالیکه، وقتی روی یک سطح لیز مانند یخ میلغزید، اصطکاک از نوع جنبشی است.

    3. حرکت رو به جلوی اتومبیل

    اتومبیلی را در نظر بگیرید که از حال سکون در یک جاده افقی شروع به حرکت میکند، پس از مدت زمان کوتاهی که سرعت اتومبیل به اندازه کافی افزایش یافت، اتومبیل با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه میدهد. لحظاتی بعد راننده مانعی را در جلوی مسیر میبیند و ترمز میگیرد و اتومبیل پس از طی مسافتی متوقف میشود. این یک مثال ساده از انواع حرکتهای دورانی است که در زندگی روزمره ما به وقوع میپیوندد. حال فرض کنید در این مسئله از مقاومت هوا و هر نیروی اتلافی دیگری بهجز اصطکاک بین چرخهای اتومبیل و جاده چشمپوشی شود. جهت نیروی اصطکاک وارد بر چرخها در هر یک از مراحل حرکت اتومبیل چگونه است؟ در این مثال، سعی میکنیم با استفاده از قانون دوم نیوتون جهت نیروی اصطکاک را تعیین کنیم. ابتدا حرکت اتومبیل شتابدار تندشونده است از این رو نیروی اصطکاک بین چرخها و جاده همجهت با حرکت اتومبیل و رو به جلو است (شکل 1)، زیرا نیروی اصطکاک تنها نیروی خارجی افقی وارد بر اتومبیل است که باعث افزایش سرعت آن میشود.

    جهت نیروی اصطکاک

              

    البته توجه به این نکته ضروری است که نیروی اصطکاک هیچگاه به دستگاه انرژی نمیدهد! و فقط انرژی جنبشی دورانی چرخها را به انرژی جنبشی انتقالی اتومبیل تبدیل میکند.

    نکته دیگری که باید در نظر گرفت این است که در این حالت نیروی اصطکاک رو به جلو، بسته به شرایط، میتواند از نوع اصطکاک ایستایی یا جنبشی باشد. وقتی که اتومبیل بدون سر خوردن شروع به حرکت کند (مثلاً در جاده آسفالت که ضریب اصطکاک ایستایی آن بالا است) اصطکاک از نوع ایستایی است اما وقتیکه اتومبیل در شروع به حرکت لغزش داشته باشد (مانند شروع حرکت در جاده گلآلود، یا در حرکت به اصطلاح "تیک آف")، اصطکاک از نوع جنبشی است.

    در ادامه، وقتی که اتومبیل با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه میدهد، نیروی اصطکاک (ایستایی و جنبشی) بین چرخها و جاده صفر میباشد. زیرا طبق قانون دوم نیوتون برایند نیروی افقی وارد بر اتومبیل صفر است (شکل 2).

    جهت نیروی اصطکاک

      

    سرانجام، وقتی راننده ترمز میگیرد و حرکت اتومبیل شتابدار کندشونده است، جهت نیروی اصطکاک در خلاف جهت حرکت اتومبیل است (شکل 3). ممکن است ترمز گرفتن با غلتش کامل باشد (بدون سر خوردن، اصطکاک ایستایی) یا اینکه لغزش داشته باشد (سر خوردن، اصطکاک جنبشی) که در تعیین جهت نیروی اصطکاک بیتأثیر است.

    جهت نیروی اصطکاک

             

    این مثال نشان میدهد که در یک مسئله خاص شرایط حرکت میتواند نقشی تعیینکننده در جهت نیروی اصطکاک داشته باشد.

    4. چرخ قائم و نیروی خارجی افقی

    فرض کنید چرخی به جرم M و شعاع R و لختی دورانی I حول مرکز جرم خود، روی یک سطح افقی دارای اصطکاک در حال سکون است. در لحظه 0=t نیروی افقی F در ارتفاع hبه چرخ وارد میشود (شکل 4)، در این حالت جهت نیروی اصطکاک وارد بر چرخ از طرف زمین چگونه است؟ شاید در نگاه اول چنین بهنظر برسد که این نیرو همواره خلاف جهت نیروی خارجی F وبه سمت چپ است. اما همانطور که بعداً خواهیم دید، این گفته همواره صحیح نیست و مسئله نیاز به بررسی و تحلیل فیزیکی دارد.

    جهت نیروی اصطکاک

    برای تعیین جهت نیروی اصطکاک باید به این نکته توجه داشته باشیم که نیروی F میخواهد نقطه تماس A را به چه سمتی جابهجا کند؟ در این صورت با قطعیت میتوان گفت که نیروی اصطکاک در خلاف آن جهت خواهد بود.

    نیروی افقیF میتواند به دو نوع حرکت متمایز در چرخ بینجامد[3]: (1) حرکت انتقالی مرکز جرم مطابق با رابطه جهت نیروی اصطکاک و (2) حرکت دورانی حول مرکز جرممطابق با روابط گشتاور جهت نیروی اصطکاک

    واضح است که اگر امتداد نیروی F از زیر مرکز جرم چرخ (O) بگذرد، گشتاور نیروی τ میخواهد چرخ را در جهت پادساعتگرد حول مرکز جرم بچرخاند (شکل 5).

    جهت نیروی اصطکاک

    در صورتی که امتداد F از مرکز چرخ بگذرد، گشتاور τ حول مرکز جرم صفر است و نیروی F فقط باعث حرکت انتقالی چرخ میشود (شکل 6).

    جهت نیروی اصطکاک

    سرانجام، اگر امتداد F از بالای مرکز جرم چرخ (O) بگذرد، گشتاور نیروی τ میخواهد چرخ را بهصورت ساعتگرد حول مرکز جرم بچرخاند. (شکل 7).

    جهت نیروی اصطکاک

    واضح است که در شکلهای (5) و (6) نقطه تماس A میخواهد به سمت راست جابهجا شود، بنابراین در این دو حالت که جهت نیروی اصطکاک با قطعیت کامل میتوان گفت که نیروی اصطکاک وارد بر A در خلاف جهت F است.

    اما، وضعیت برای شکل (7) که h>R  متفاوت است. در این شرایط، جهت حرکت A ناشی از نیروی F و گشتاور نیروی آن τ در خلاف جهت یکدیگرند. بنابراین بسته به اینکه
    جهت نیروی اصطکاک مثبت یا منفی باشد، نقطه A میخواهد به سمت راست یا چپ حرکت کند، و در نتیجه نیروی اصطکاک بهترتیب به سمت چپ یا راست خواهد بود. واضح است که در این وضعیت، با افزایش (h-R) گشتاور نیرو و در نتیجه شتاب زاویهایی حول مرکز جرم (α) افزایش مییابد. بنابراین انتظار داریم در یک h0 خاص رابطه زیر برقرار باشد.

    جهت نیروی اصطکاک

    یعنی اگر نیروی F در این ارتفاع خاص h0 به چرخ وارد شود، چرخ غلتش کامل خواهد داشت (شتاب نقطه پایین چرخ صفر است) و نیروی اصطکاک وارد بر آن (ایستایی و جنبشی) صفر خواهد بود. علاوه بر این، در ارتفاعهای h>h0 داریم Rα>a و نیروی اصطکاک در جهت F و رو به جلو خواهد بود؛ این نتیجه جالب و برخلاف پیشبینی سطحی است که نیروی اصطکاک حتماً در خلاف جهت نیروی خارجی F است. این مسئله همچنین نشان میدهد که تعیین جهت نیروی اصطکاک میتواند پیچیده باشد.

    در ادامه برای تکمیل بحث، ارتفاع h0 را محاسبه میکنیم. بدینمنظور، در غیاب نیروی اصطکاک (در ارتفاع h0 نیروی اصطکاک صفر است)، شتاب انتقالی a و شتاب زاویهای α را محاسبه میکنیم. برای حرکت انتقالی مرکز جرم داریم:

     جهت نیروی اصطکاک

    و برای حرکت دورانی حول مرکز جرم داریم:


    جهت نیروی اصطکاک

    جهت نیروی اصطکاک

    بنابراین

    جهت نیروی اصطکاک

                                                  

    و با اعمال شرط صفر بودن شتاب کل نقطه تماس[3]، داریم:

     جهت نیروی اصطکاک

    هدف این مسئله تعیین جهت نیروی اصطکاک بود که حاصل شد، اما اجازه دهید در این مثال خاص، حرکت چرخ را در وضعیتh<h0 (که نیروی اصطکاک به سمت جلو است) مورد بررسی قرار دهیم. ابتدا فرض کنید حرکت چرخ بدون لغزش باشد. در این حالت نیروی اصطکاک بین چرخ و زمین از نوع اصطکاک ایستایی است و چرخ دارای غلتش کامل خواهد بود و داریم:

     جهت نیروی اصطکاک 

    با اعمال شرط غلتش کامل a=Rα جواب بهصورت زیر بهدست میآید،

    جهت نیروی اصطکاک

    جهت نیروی اصطکاک
             

                                                 

    اصطکاک ایستایی هیچ کاری بر روی چرخ انجام نمیدهد و باعث اتلاف انرژی نمیشود، زیرا در این شرایط سرعت نقطه پایین چرخ بهصورت رابطه ʋ =(a-Rα)t و همواره صفر است و چرخ روی سطح لغزش نخواهد داشت. شرط لازم برای غلتش کامل آن است که fs محاسبه شده در رابطه (7) قابل تأمین باشد. بنابراین، شرط غلتش کامل را میتوان بهصورت زیر نوشت[3]:

    جهت نیروی اصطکاک  

    اما، اگر این شرط برقرار نباشد (ضریب اصطکاک ایستایی سطح و چرخ کوچک باشد، مانند حرکت چرخ روی یک سطح لیز)، چرخ میلغزد و نیروی بین چرخ و زمین از نوع اصطکاک جنبشی خواهد بود. در این شرایط، معادلههای حرکت چرخ و جواب آنها بدینصورت خواهد شد:

    جهت نیروی اصطکاک

    در این حالت شتاب نقطه تماس چرخ با زمین (a-Rα) مقداری غیرصفر و منفی خواهد شد و چرخ روی زمین میلغزد و بر اثر لغزش بخشی از انرژی آن توسط اصطکاک جنبشی تلف میشود.

    روش مطرح شده برای تعیین جهت اصطکاک را میتوان به مسائل پیچیدهتر نیز تعمیم داد. نکته مهم و کلیدی در این روش، تعیین جهت حرکت (یا حرکت احتمالی) نقطه تماس جسم به سطح است که باید در غیاب نیروی اصطکاک محاسبه گردد (محاسبه شتاب نقطه تماس در غیاب اصطکاک). پس از آن، اگر این شتاب غیرصفر و نقطه تماس تمایل به حرکت داشته باشد، نیروی اصطکاک در جهتی خواهد بودکه در صورت امکان از این لغزش جلوگیری کند (شتاب نقطه تماس در حضور اصطکاک را صفر کند، اصطکاک ایستایی) و یا اینکه از مقدار آن بکاهد (شتاب نقطه تماس در حضور اصطکاک کمتر از شتاب آن در غیاب اصطکاک است، اصطکاک جنبشی). اما، اگر بدون در نظر گرفتن نیروی اصطکاک شتاب نقطه تماس صفر باشد (در این مثال نیرو در ارتفاع h0 وارد شود)، در این صورت نقطه تماس تمایل به حرکت ندارد، و از این رو، نیروی اصطکاک (ایستایی یا جنبشی) به آن وارد نمیشود. زیرا، در صورت وارد شدن نیروی اصطکاک طبق قانون دوم نیوتون، شتاب نقطه تماس دیگر صفر نخواهد بود، و این نتیجه بدین معنی است، که اصطکاک باعث حرکت جسمی میشود که هیچ تمایلی به حرکت ندارد و از این رو غیرممکن است.

    5. حرکت مهره روی تسمه نقاله

    در اغلب مثالهایی که بررسی میشوند، سطح زیرین را ثابت فرض میکنیم اما سطح میتواند خود دارای حرکت باشد که یکی از سادهترین مثالهای با سطح متحرک، تسمه نقاله است.

    تسمه نقاله شامل تسمهای افقی است که حرکت میکند و اجسامی که روی آن قرار دارد را با خود جابهجا میکند. برای آغاز حرکت، دو حالت را در نظر میگیریم: حالت اول تسمه در حال حرکت با سرعت ثابت و به سمت راست باشد و در لحظه t=0 مهره روی آن قرار گیرد که در اینصورت مهره روی آن میلغزد و تنها نیروی افقی وارد بر آن اصطکاک تسمه است. بنابراین تا زمانی که سرعت مهره با سرعت تسمه برابر شود، نیروی اصطکاک از نوع جنبشی خواهد بود.

    حالت دوم اینکه مهره روی تسمه قرار داشته باشد و هر دو ساکن باشند و در لحظه t=0تسمه به آرامی شروع به حرکت به سمت راست کند به طوریکه لغزش نداشته باشیم و مهره همراه تسمه حرکت کند. در این حالت، نیروی اصطکاک میان مهره و تسمه از نوع ایستایی خواهد بود. در هر دو حالت، حرکت آغازین مهره تندشونده است و به تدریج بر سرعت آن افزوده میگردد. بنابراین طبق قانون دوم نیوتون، باید نیروی کل افقی وارد بر مهره که در اینجا فقط نیروی اصطکاک است همجهتبا حرکت مهره باشد. از این رو، نیروی اصطکاک (ایستایی یا جنبشی) الزاماً در جهت راست بر مهره وارد میشود و بر سرعت آن میافزاید.

    در هر دو حالت، پس از مدتی سرعت حرکت مهره ثابت میشود و همراه تسمه با سرعت ثابت حرکت میکند (در این حالت سرعت نسبی مهره و تسمه صفر است). از آنجا که تنها نامزد نیروی افقی وارد بر مهره، نیروی اصطکاک است، طبق قانون دوم نیوتون در این مرحله نیروی اصطکاک (ایستایی و جنبشی) صفر است.

    حال فرض کنید تسمه به تدریج و به آرامی شروع به ایستادن کند. طبق قانون اول نیوتون، در غیاب اصطکاک، مهره میخواهد همچنان با سرعت ثابت به سمت راست حرکت کند، بنابراین نیروی اصطکاک الزاماً به سمت چپ بر آن وارد میشود، که البته از قانون دوم نیوتون نیز همین نتیجه حاصل میشود. این نیروی اصطکاک با توجه به اندازه ضریب اصطکاک بین مهره و تسمه و شتاب کند شدن حرکت تسمه، میتواند از نوع ایستایی یا جنبشی باشد. اگر تسمه خیلی آرام شروع به ایستادن کند، مهره روی آن سُر نمیخورد و نیروی اصطکاک وارد بر آن از نوع ایستایی خواهد بود. اما اگر تسمه بهصورت ناگهانی متوقف شود، مهره روی آن سُر خواهد خورد و نیروی اصطکاک وارد بر آن از نوع جنبشی است.

    تحلیل مسائل مربوط به حرکت جسم روی جسم یا حرکت اجسام داخل وانت نیز به همین شیوه انجام میشود.

    6. حرکت استوانه روی سطح شیبدار

    بهعنوان مثال آخر به بررسی حرکت یک استوانه یکنواخت روی سطح شیبدار خواهیم پرداخت (شکل 8).

    جهت نیروی اصطکاک

    در این مثال نیز مشابه با مثال قسمت 4، برای تعیین جهت اصطکاک، حرکت نقطه تماس استوانه با سطح شیبدار را در غیاب نیروی اصطکاک مورد بررسی قرار میدهیم. حرکت استوانه ترکیب دو حرکت انتقالی مرکز جرم و دوران حول مرکز جرم است. نیروی کشش طناب و مؤلفه نیروی وزن در راستای سطح شیبدار، باعث حرکت انتقالی استوانه به سمت پایین سطح شیبدار میشوند. اگر شتاب انتقالی مرکز جرم استوانه به سمت پایین سطح شیبدار برابر a باشد، طبق قانون دوم نیوتون داریم:

     جهت نیروی اصطکاک   

    علاوه بر این، نیروی کشش طناب میخواهد استوانه را در جهت ساعتگرد حول مرکز جرم آن بچرخاند:

    جهت نیروی اصطکاک 

    در این رابطه و α به ترتیب لختی دورانی و شتاب زاویهای دوران استوانه حول مرکز جرم آن است [3]. همانطور که مشاهده میشود، جهت حرکت نقطه تماس A در اثر حرکت انتقالی و دورانی در خلاف جهت یکدیگرند. بنابراین بسته به اینکه (a-Rα) مثبت یا منفی باشد، نقطه A میخواهد به سمت پایین یا بالای سطح شیبدار حرکت کند، و در نتیجه نیروی اصطکاک بهترتیب به سمت بالا یا پایین خواهد بود. برای حل کامل مسئله باید معادله حرکت انتقالی جسم متصل به استوانه را نیز مورد بررسی قرار داد. از آنجایی که شتاب این جسم با شتاب نقطه بالای استوانه برابر است[3]، طبق قانون دوم داریم:

    جهت نیروی اصطکاک

    بنابراین از معادلههای 12 تا 14نتیجه میشود که:

    جهت نیروی اصطکاک

             

    این رابطه نشان میدهد که در این مثال خاص نیز تعیین جهت نیروی اصطکاک (بدون انجام محاسبات) کار سادهای نیست و جهت آن وابسته به زاویه سطح شیبدار است. در زاویه

    جهت نیروی اصطکاک

             

    تساوی a=Rα برقرار و نیروی اصطکاک (ایستایی و جنبشی) صفر است. در زاویه های θ> θ0، نقطه تماس استوانه با سطح شیبدار میخواهد به سمت پایین سطح شیبدار حرکت کند و نیروی اصطکاک در خلاف جهت و به سمت بالا خواهد بود. سرانجام در حالت θ< θ0، عبارت (a-Rα) منفی و نیروی اصطکاک به سمت جلو خواهد بود. نتیجه اخیر برخلاف برداشت سطحی اولیه، مبنی بر آن است که نیروی اصطکاک همیشه در خلاف جهت حرکت مرکز جرم استوانه قرار دارد.

    نکته مهم دیگری که باید در نظر داشت آن است که در این مثال نیز، بسته به اندازه ضریب اصطکاک ایستایی μs بین استوانه و سطح شیبدار، و اندازه زاویه θ سطح شیبدار، نیروی اصطکاک میتواند از نوع ایستایی یا جنبشی باشد. در دو حالت θ>θ0 و θ< θ0، با افزودن جمله اصطکاک به رابطه (12)، و ترکیب آن با معادلههای (13) و (14)، با روش مشابه قسمت 4، میتوان نشان داد که اگر رابطه جهت نیروی اصطکاک برقرار باشد، غلتش کامل (a=Rα) رخ میدهد و نیروی اصطکاک بین استوانه و سطح شیبدار از نوع ایستایی است. در غیر این صورت استوانه روی سطح سُر میخورد (aRα)، و نیروی اصطکاک وارد بر آن از نوع جنبشی خواهد بود.

    7. نتیجهگیری

    در این مقاله، در قالب مثالهای مختلف، به بررسی تعیین جهت نیروی اصطکاک (ایستایی و جنبشی) پرداختیم. مثالهای مطرح شده نشان میدهد که تعیین جهت نیروی اصطکاک همواره کار سادهای نیست و به شرایط اولیه و مقدار پارامترهای مختلف موجود در مسئله بستگی دارد. روش کلی مطرح شده جهت تعیین جهت نیروی اصطکاک، حل کامل مسئله در غیاب اصطکاک، و تعیین جهت حرکت (یا حرکت احتمالی) نقطه تماس جسم با سطح است. پس از این فرایند، نیروی اصطکاک در جهتی است که مانع انجام این لغزش شود. این روش نشان میدهد که در برخی شرایط جهت نیروی اصطکاک با پیشبینی سطحی همخوانی ندارد، و با تغییر یک پارامتر، مثل مکان اثر نیرو، زاویه سطح و ... ، جهت این نیرو میتواند تغییر کند.

    منابع

    1. فیزیک، دوره پیشدانشگاهی، رشته علوم ریاضی، شرکت چاپ و نشر کتابهای درسی ایران، چاپ چهاردهم، 1394.

    2. فیزیک (2) و آزمایشگاه، سال دوم آموزش متوسطه، رشتههای علوم تجربی- ریاضی فیزیک،شرکت چاپ و نشر کتابهای درسی ایران، چاپ سیزدهم، 1392.

    3. مبانی فیزیک، دیوید هالیدی - رابرت رزنیک - جرل واکر، ویرایش 10.

    Direction of the Friction-Force

    Ezzatollah Rezaei1, KhaterehJafari2, Mojtaba Golshani3

    1. Shahid Ahmadi Roshan High School for talent student, Ghorveh, Kurdistan, Iran

    2. Department of Physics, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

    3. Faculty of Physics, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran

    منبع مطلب : www.roshdmag.ir

    مدیر محترم سایت www.roshdmag.ir لطفا اعلامیه بالای سایت را مطالعه کنید.

    جواب کاربران در نظرات پایین سایت

    مهدی : نمیدونم, کاش دوستان در نظرات جواب رو بفرستن.

    میخواهید جواب یا ادامه مطلب را ببینید ؟
    سپیده 1 ماه قبل
    0

    نیرو ی (اصطکاک) همواره در خلاف جهت حرکت بر جسم وارد می شود

    سپیده 1 ماه قبل
    0

    نیرو ی (اصطکاک) همواره در خلاف جهت حرکت بر جسم وارد می شود

    سپیده 1 ماه قبل
    0

    نیرو ی (اصطکاک) همواره در خلاف جهت حرکت بر جسم وارد می شود

    سپیده 1 ماه قبل
    0

    نیرو ی (اصطکاک) همواره در خلاف جهت حرکت بر جسم وارد می شود

    سپیده 1 ماه قبل
    0

    نیرو ی (اصطکاک) همواره در خلاف جهت حرکت بر جسم وارد می شود

    ناشناس 1 ماه قبل
    0

    سلام دوست عزیز اما من نمی دانم

    مهدی 2 سال قبل
    0

    نمیدونم, کاش دوستان در نظرات جواب رو بفرستن.

    برای ارسال نظر کلیک کنید