علوم نهم؛ فصل پنجم

نیرو
در هر کاری که روزانه انجام میدهیم، با نیرو سروکار داریم. باز و بسته کردن در و پنجره، راه رفتن، بازی کردن، نجاری، رانندگی کردن، شنا کردن، حمل کردن اجسام، حرکت وسایل نقلیه، پرواز هواپیما و... هیچکدام بدون اعمال نیرو انجام نمیشود.
وقتی جسمی را میکشیم یا آن را هُل میدهیم، در واقع به آن نیرو وارد میکنیم.
در فیزیک نیرو به معنی هل دادن یک جسم و یا کشیدن آن به طرف خود است.

آثار مختلف نیرو بر اجسام:
نیرو می تواند باعث شود یک جسم حرکت کند، متوقف شود، شتاب بگیرد، سرعتش کم یا زیاد شود، جهت حرکتش تغییر کند و یا تغییر شکل دهد.

نیرو اثر متقابل بین دو جسم است. یعنی؛ در به وجود آمدن نیرو، همواره دو جسم مشارکت دارند و البته این اجسام لزوماً در تماس با یکدیگر نیستند.

نیروهای متوازن (نیروهای در حال تعادل)
اگر بر جسمی چند نیرو به طور همزمان اثر کنند و این نیروها اثر یکدیگر را خنثی کنند، میگوییم نیروهای وارد بر جسم متوازن اند (یعنی در تعادل اند).
گاهی اوقات نیروهای زیادی وجود دارند که بر روی یک جسم عمل می کنند، اما جسم ساکن باقی می ماند. در این مورد نیروها در حال تعادل هستند و مجموع یا برایند نیروها صفر است (یعنی نیروی خالص، صفر است).
اگر برآیند نیروهای وارد برجسم صفر باشد، حتماً نیروهای وارد بر جسم متوازن اند.
تا زمانی که نیروهای وارد بر جسم متوازن باشند جسمِ ساکن، همچنان ساکن میماند و اگر در حال حرکت باشد همچنان به حرکت خود ادامه میدهد و تغییری در نحوه حرکت آن ایجاد نمیشود؛ یعنی سرعت آن تغییر نمیکند.
نیروی خالص عامل شتاب است:
ًسرعت حرکت یک جسم وقتی تغییر میکند (کم یا زیاد میشود) که نیروهای وارد برآن در توازن نباشند. یعنی نیروی خالصی بر جسم وارد شود. نیروی خالص وارد بر یک جسم سبب تغییر سرعت آن میشود؛ یعنی نیرو سبب ایجاد شتاب میشود.

چند مثال:
۱. شخص به جعبۀ ساکن نیرو وارد میکند ولی جعبه حرکت نمیکند زیرا نیروی روبه جلو با نیروی اصطکاک رو به عقب هم اندازه اند.
۲. نیروی رو به بالایی که از طرف آب به قایق وارد میشود، هم اندازه با وزن قایق است. بنابراین قایق روی آب به حالت تعادل باقی میماند.
۳. وقتی نیروهای وارد بر خودروی در حال حرکت متوازن باشند، خودرو با سرعت ثابت حرکت میکند.
۴. نیروی وزن وارد بر چترباز و نیروی مقاومت هوا هم اندازه اند، بنابراین چترباز با سرعت ثابت به طرف زمین حرکت میکند.

۵. وقتی نیروهای وارد بر هواپیمای در حال پرواز متوازن
باشند، تغییری در حرکت هواپیما ایجاد نمیشود.

اندازه گیری نیرو:

واحد اندازه گیری نیرو: نیوتن ( N )
یک نیوتن نیرو عبارت است از مقدار نیرویی که است جسمی به جرم یک کیلوگرم را به میزان یک متر بر مجذور ثانیه شتاب دهد.

نیرو، یک کمیت برداری است:
نیرو، هم دارای مقدار و بزرگی است، و هم دارای راستا و جهت هست. به همین دلیلمی گوییم؛ نیرو یک کمیت برداری است. بردارها به وسیله یک پیکان که بیانگر راستا و جهت نیرو است و همچنین عددی که بیانگر بزرگی نیرو است نشان داده می شوند.

نیروهای مرکب:

هنگامی که چند نیرو بر یک جسم اعمال می شوند، نیروی حاصل مجموع یا برایند بردارهای هر نیرو به تنهایی است.
مثال:
دو گروه در حال کشیدن یکدیگر به طرف خود هستند. اگر یک گروه با نیروی N2 در جهت چپ و گروه دیگر با نیروی N3 در جهت راست بکشد، پس نیروی حاصل N1 در جهت راست است.

نیرو، جرم و شتاب

هرگاه بر جسم نیروی خالصی وارد شود، جسم تحت تأثیر آن نیرو شتاب میگیرد 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 جرم و شتاب یک جسم را بدانیم می توانیم نیروی معادل آن را به دست آوریم. این معادله از قانون دوم نیوتن به دست آمده:

f = m * a

همچنین:
a = f : m
در این رابطه ها، یکای نیرو نیوتون ( N ) یکای جرم کیلوگرم ( kg ) و یکای شتاب نیوتون برکیلوگرم ( N/Kg ) است.

وزن
وزن جسم برابر با نیروی گرانشی (جاذبه ای) است که از طرف زمین بر جسم وارد میشود.
وزن جسم را با نیروسنج اندازه میگیرند و یکای آن نیوتون است. وزن یک جسم در سطح زمین از حاصلضرب جرم جسم در شتاب جاذبهٔ زمین به دست می آید.
شتاب جاذبه × جرم جسم = وزن جسم

اگر جرم جسم را با m ،شتاب جاذبه را با g و وزن را با W نشان دهیم، رابطه زیر در میآید:
W = mg
ًشتاب جاذبه در سطح زمین تقریبا ۹/۸ نیوتون بر کیلوگرم است که برای سادگی در حل مسئله ها آن را 10نیوتون بر کیلوگرم فرض میکنند.

شتاب جاذبه روی ماه تقریباً ۱/۶ نیوتن بر کیلوگرم و در مریخ ۴ نیوتن بر کیلوگرم است.

مثال:
اگر جرم دانش آموزی 50 کیلوگرم باشد، وزن او در سطح زمین چقدر است؟
W = ۵۰ * ۱۰ = ۵۰۰ N

نیروی کنش و واکنش
وقتی با دست دیوار یا خودرویی را هل میدهیم، حس میکنیم دیوار یا خودرو نیز ما را هل میدهد. یعنی در برهمکنش بین دست و دیوار دو نیرو وجود دارد؛ نیرویی که ما به دیوار وارد
میکنیم و نیرویی که دیوار به دست ما وارد میکند.
اگر نیروی دست که دیوار را هل میدهد، کنش بنامیم، نیرویی که دیوار به دست ما وارد میکند، واکنش نامیده میشود.
نیروهای کنش و واکنش همیشه همراه هم ظاهر میشوند و هیچیک بدون دیگری نمیتوانند وجود داشته باشد.
قانون سوم نیوتن:
ّهر گاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیز به جسم اول نیرویی هم اندازه ولی در خلاف جهت وارد میکند.

نیروی کنش و واکنش همواره هماندازه و در خالف جهت یکدیگرند.

نیروی اصطکاک بین دو جسم به جنس دو جسم بستگی دارد.
نیروی اصطکاک بین دو جسم به علت ناهمواریهایی است که به صورت میکروسکوپی بین دو جسم وجود دارد و با چشم غیرمسلح قابل رؤیت نیست. هرچه دو جسم روی هم بیشتر فشرده شوند، این ناهمواریها بیشتر در یکدیگر فرو میروند و مانع حرکت میشوند و نیروی اصطکاک افزایش می یابد.

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.

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.

در اکثر اوقات 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 چنان‌چهحرکت 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.

نیروهای بنیادی:
گرانش، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی قوی هسته ای و نیروی ضعیف هسته ای

-