انواع نیروها

پویایی‌شناسی یا دینامیک نام یکی از شاخه‌های دانش فیزیک است که با نیروها و تأثیر آنها بر حرکت اجسام سر و کار دارد.

دینامیک از دو بخش سینماتیک و سینتیک تشکیل شده‌است. در سینماتیک، حرکت اجسام بدون توجه به عامل ایجاد حرکت و تنها از دیدگاه هندسی بررسی می‌شود. در این بررسی، اجسام می‌توانند به‌صورت ذره و یا جسم صلب مدل‌سازی شوند. در سینتیک، حرکت اجسام با توجه به عامل ایجاد آن بررسی می‌شود. در سینتیک هم، جسم می‌توانند به‌صورت ذره و یا جسم صلب مدل‌سازی شود.

نيروهايي كه به يك جسم اثر م يكنند در شكل كلي به دو صورت ظاهر مي شوند.
الف) نيروهاي تماسي • ب) نيروهاي ميداني •

نيروهاي تماسي، نيروهايي هستند كه در اثر تماس فيزيكي جسم با اجسام ديگر ظاهر ميشود، مثلاً تا وقتي جسمي را روي ميز نگذاريم، ميز به جسم نيروي عمودي سطح وارد نم يكند و يا يك جسم تا در مايع قرار نگيرد از طرف مايع نيروي ارشميدس رو به بالا به آن وارد نميشود. در اين موارد اجسام در اثر تماس مستقيم با هم در اندركنش هستند.

نيروهاي ميداني، نيروهايي هستند كه لازم به تماس دو جسم با هم نيست بلكه نيرو از طريق يك ميدان جسم را تحت تأثير قرار ميدهد. حتماً عباراتي چون ميدان الكتريكي، ميدان مغناطيسي و ميدان گرانشي را شنيد ه ايد؛ بله مثلاً اجسام از طريق ميدان گرانشي كه اطراف خود بوجود ميآورند، ديگر اجسام جرم دار را تحت تأثير نيروي گرانش خود قرار م يدهند.

مثلاً يك جسم لازم نيست روي زمين باشد تا نيروي وزن به آن وارد شود ، بلكه مادامي كه در ميدان گرانش زمين قرار گرفته به سمت مركز زمين به آن نيروي وزن وارد ميشود. اين دسته بندي كلي نيروها رهيافتي براي شناخت نيروهايي است كه به يك جسم وارد ميشود.

اما دسته بندي علمي و دقيق نيروها به اين شكل است:
۱٫ نيروهاي گرانشي ۲٫ نيروهاي الكترومغناطيس ۳٫ نيروي برهمكنش ضعيف ۴٫ نيروي برهمكنش قوي گرانش و الكترومغناطيس ميتوانند در بردهاي طولاني اثر كنند. چون فقط با عكس مجذور فاصله كاهش مي يابند. تفاوت اين دو نيرو در منشأ آنها است. نيروي گرانش به خاطر جرم دو جسم است. يعني هر جسم جرم دار ميدان گرانشي، اطراف خود پديد ميآورد كه اجسام جر مدار ديگر را تحت تأثير خود قرار ميدهد: اين نيرو به اين شكل است:

FG=(Gm1m2)/r2
اين همان نيرويي است كه سبب چرخش زمين و ساير سيارات به دور خورشيد ميشود. چون جرم اجسام مثبت است و اصولاً تاكنون ضد ماده با جرم منفي ديده نشده است، نيروي گرانش همواره از نوع جاذبه است . G . ثابت گرانش جهاني است و مقدار آن برابر است با G=6/67*10-11 (N.m2/Kg2) كه از ثابتهاي مهم فيزيكي محسوب ميشود.

منشأ نيروي الكترومغناطيس، بار الكتريكي اجسام است كه بخش الكتريكي آن را به نام نيروي كولني شنيده ايد و رابطه آن به شكل مقابل است: FE=(Kq1q2)r2
چون اجسام هم ميتوانند بار الكتريكي مثبت و منفي داشته باشند اين نيرو به شكل جاذبه و دافعه ظاهر ميشود اين نيرو همان نيرويي است كه ساختار اتم را تشكيل ميدهد و سبب چرخش الكترون به دور هسته ميشود.

K ثابت ديگري است كه قدرت برهمكنش الكتريكي را نشان ميدهد و مقدار آن برابر است با: K= 9*109
با مقايسه مقدار دو ثابت k و Gمي توان فهميد كه چرا ما در تجربه روزمره ربايش الكتريكي بين شانه و موهاي سر را مي بينيم، اما جاذبه گرانش بين اين دو را نديد هايم و تجربه نيروي گرانشي ما تنها به نيروي وزن كه بين اجسام و زمين كه يك جرم بسيار بزرگ است محدود ميشود.

نكته اي كه بايد به آن توجه داشت اين است كه در مقياسهاي بزرگ اجسام از نظر الكتريكي خنثي هستند. اما همچنان جرم دارند. از اين رو نيروهاي الكتريكي در سيستمهاي بزرگ يكديگر را خنثي مي كنند اما نيروي گرانش همچنان وجود دارد. به اين دليل نيروهاي گرانشي در مقياس كيهاني بر جهان تسلط دارند. برعكس، جهان نزديك ما تحت تأثير نيروهاي الكتريكي است .

چون در مقياس اتمي از نيروي گرانشي خيلي قويترند . جالب است بدانيد به جز نيروي وزن تمام نيروهاي ديگري كه در فيزيك كلاسيك خود يعني در دبيرستان با آنها سر و كار داريد منشأ الكتريكي دارند، از آ ن جمله هستند نيروي كشش نخ، ارشميدس، كشش فنر ، عمودي سطح، اصطكاك و غيره. در مقابل برد برهمكنش نيروهاي ضعيف و قوي آنچنان كوتاه است كه فقط در فواصل هسته اي ۱۰-۱۵ متر حائز اهميت است متر و حتي در فواصل اتمي یعنی ۱۰-۱۰ متر قابل اغماضند.

اندركنشهاي قوي در فواصل هسته اي از نيروي الكترومغناطيس بسيار قويترند و همين نيروها باعث پايداري هسته ميشوند كه در آن تنها بارهاي الكتريكي مثبت قرار دارد. اندركنشهاي ضعيف نقش بسيار كمي در جهان دارند و عامل پيدايش و ناجوري نوترينوها، اين نيروها هستند

نیروی 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=q1q2/4пε۰r2 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.