علم فیزیک

مکانیک کلاسیک

مکانیک کلاسیک یکی از قدیمیترین و آشناترین شاخه‌های فیزیک است. این شاخه با اجسام در حال سکون و حرکت ، و شرایط سکون و حرکت آنها تحت تاثیر نیروهای داخلی و خارجی ، سرو‌ کار دارد. بطور کلی مکانیک کلاسیک که در آن حرکت اجسام مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد، شامل دو قسمت سینماتیک و دینامیک است . قوانین مکانیک به تمام گستره اجسام ، اعم از میکروسکوپی یا ماکروسکوپی، از قبیل الکترونها در اتمها و سیارات در فضا یا حتی به کهکشانها در بخش‌های دور دست جهان اعمال می‌شود. اگر وضعیت فعلی یک شی شناخته شود ، می توان با قوانین مکانیک کلاسیک پیش بینی کرد که چگونه در آینده حرکت خواهد کرد و چگونگه در گذشته حرکت کرده است.

تاریخچه مکانیک کلاسیک

با این که شروع مکانیک از کمیت سرچشمه می‌گیرد ، در زمان ارسطو فرایند فکری مربوط به آن گسترش سریعی پیدا کرد. اما از قرن هفدهم به بعد بود که مکانیک توسط گالیله ، هویگنس و اسحاق نیوتن بدرستی پایه‌گذاری شد. آنها نشان دادند که اجسام طبق قواعدی حرکت می‌کنند ، و این قواعد به شکل قوانین حرکت بیان شدند. مکانیک کلاسیک یا نیوتنی عمدتا با مطالعه پیامدهای قوانین حرکت سروکار دارد. بعداً ، روشهای انتزاعی تری ایجاد شد که منجر به تغییر ساختار مکانیک کلاسیک موسوم به مکانیک لاگرانژی و مکانیک همیلتون شد . این پیشرفت ها ، که عمدتاً در سده های 18 و 19 صورت گرفته، بویژه از طریق استفاده ی آنها از مکانیک تحلیلی،فراتر از کارهای نیوتن است . آنها با برخی اصلاحات در همه زمینه های فیزیک مدرن نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

نیرو

نیرو کمیتی برداری است که می‌تواند سرعت اجسام را تغییر دهد و سبب حرکت آن شود. به عبارتی نیروی عامل حرکت به شمار می‌رود. نیرو را به طور شهودی می‌توان با کشیدن یا هُل‌دادن توصیف کرد.

شتاب جسم متناسب است با جمع برداری همهٔ نیروهای وارد بر جسم. نیرو می‌تواند جسم را بچرخاند، تغییرشکل دهد یا فشار وارد بر آن را بیفزاید. نیرو حاصل برهم کنش یا اثر متقابل دو جسم بر یکدیگر است. نیروها می‌توانند از پدیده‌های فیزیکی گوناگی به وجود بیایند، مانند گرانش، مغناطیس، یا هر اثر دیگری که به جسمی شتاب می‌دهد.

تاریخچه پیدایش مفهوم نیرو

• ارسطو: ارسطو ، فیلسوف یونانی ، قرن‌ها پیش جواب سوال اخیر را چنین جواب داده بود که : مادامی که نیروهایی بر اجسام اثر می‌کنند، این اجسام به حرکت خود ادامه می‌دهند. ارسطو، نیرو را به عنوان هر چیزی که باعث می‌شود شیئی یک «حرکت غیرطبیعی» انجام دهد، توصیف کرد. وقتی سنگی در هوا پرتاب می‌شود، بر طبق بیان ارسطو هوای جابه‌جا شده توسط سنگ به پشت آن آمده و آنرا به جلو می راند. در مورد حرکت موشک در فضا نیز همان پدیده اتفاق می‌افتد.
• ارشمیدس: 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.
• گالیله: گالیله اولین شخصی بود که با پی بردن به عامل حرکت (نیرو) مسیر حرکت گلوله توپ را در هوا محاسبه نمود. 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.
• کولن: کولن ، بر همکنش بارهای الکتریکی بر همدیگر را تحت عنوان نیروی الکتریکی بررسی نمود.
• نیوتن: و اما این نیوتن بود که به بررسی دقیق تر نیرو پرداخت.

قوانین نیوتن

قانونهای نیوتن از جمله قانونهای اساسی و بنیادی در دانش فیزیک به شمار می‌روند. این قانونها، کاربردهای گسترده‌ای در فناوری و غالب رشته‌های مهندسی دارند. در صنعت، امور ساختمانی، دریانوردی، فضانوردی و ... اصول حاکم بر پدیده‌ها از قانونهای نیوتن پیروی می‌کنند. نیرو عامل تغییر حرکت در اجسام است و قانونهایی که رابطه میان نیرو و کمیتهای مربوطه به حرکت را بیان می‌کنند، قانونهای حرکت نامیده می‌شوند. حرکت یک ذره را ماهیت و آرایش اجسام دیگری که محیط ذره را تشکیل می‌دهند، مشخص می‌کند. مسأله حرکت یکی از موضوعات اصلی فلسفه طبیعی، یا به اصطلاح امروز فیزیک می‌باشد. تا زمان گالیله و نیوتن پیشرفت چشمگیری در این زمینه حاصل نشد. نیوتن عقاید گالیله و سایر دانشمندان قبل از خود را کاملاً به ثمر رسانید. سه قانون او درباره حرکت، اولین بار در سال ۱۶۸۶در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی که معمولاً به اصول Principia معروف است، منتشر شد. این قوانین را در زیر مرور می‌کنیم.

قانون اول

قانون اول نیوتون به قانون اینرسی یا لختی شهرت دارد و به‌طور کلی بیان می‌کند که هر جسمی تمایل دارد حالت خود را تا ابد حفظ کند. قانون اول نیوتن بیان می‌کند که اگر هیچ نیروی خالص خارجی بر روی یک جسم بدون حرکت وارد نشود، این جسم همچنان بی‌حرکت باقی می‌ماند. در تعریفی دیگر می‌توان گفت، بدون اعمال نیروی خالص خارجی بر روی جسمی که در یک مسیر مستقیم با سرعت ثابت در حرکت است‌، جسم همچنان به حرکت مستقیم خود در سرعت ثابت ادامه می‌دهد.

فرض کنید شما درون یک اتومبیل هستید که ناگهان ترمز می کند. بدن شما می خواهد به سرعت اولیه خود ادامه دهد و شما احساس می کنید که به جلو پرت می شوید و به کمربند نیرو وارد می کنید، در این زمان کمربند نیرویی به سمت عقب به شما وارد می کنید. در صورت عدم وجود کمربند،اتفاق زیر برای شما خواهد افتاد.این مثالی ملموس از قانون اول نیوتن است.

 برای اندازه‌گیری اینرسی، مهم‌ترین کمیتی که باید به آن توجه کنیم، جرم است. برای درک اهمیت جرم، یک توپ پلاستیکی و یک توپ بولینگ را تصور کنید. به‌حرکت در آوردن توپ بولینگ، بسیار مشکل‌تر از به‌حرکت در‌آوردن توپ پلاستیکی است و به‌همین ترتیب سخت‌تر می‌توانیم یک توپ بولینگ را نسبت به یک توپ پلاستیکی از به‌حال سکون در آوریم. توپ بولینگ به‌دلیل داشتن جرم بیش‌تر، اینرسی بیش‌تری نیز نسبت به توپ پلاستیکی دارد.

قانون دوم

شتاب هر جسم معین یا نیروی وارد بر آن نسبت مستقیم دارد. اگر به یک جسم نیروهایی وارد شود، شتابی می‌گیرد که با برآیند نیروهای وارد بر جسم ، نسبت مستقیم دارد و با آن هم جهت است ولی با جرم جسم نسبت وارون دارد.اگر تمام نیروهای وارد بر جسم F باشد و m جرم جسم باشد و a شتاب برداری باشد، رابطه زیر بیان قانون دوم نیوتن است:

توجه داشته باشید که در اینجا تنها نیروی خالص وارد بر یک جسم را در‌نظر داریم. به این معنی که باید تمامی نیرو‌ها‌ی وارد بر جسم را در‌نظر بگیریم، آن‌ها را با استفاده از قوانین جمع برداری با یکدیگر جمع بزنیم و سپس حاصل جمع تمامی این نیرو‌ها، نیرو‌ی خالص را به ما می‌دهد.

قانون سوم

سومین قانون حرکت نیوتون به این صورت بیان می‌شود که "هر عملی را عکس‌العملی است؛ مساوی آن و در جهت خلاف آن " این قانون به قانون کنش و واکنش هم معروف می‌باشد.

مفهوم اساسی در قانون سوم نیوتن این است که نیروی تک در طبیعت وجود ندارد. هر نیرویی که در محلی سراغ گرفته شود، قطعا نیروی دیگری با همان اندازه و در جهت مخالف آن وجود دارد. یعنی نیروهای موجود در طبیعت همواره بصورت دو تایی هستند، همانطور که تکه چوبی که فقط یک سر داشته باشد وجود ندارد. اگر یکی از این دو نیرو را کنش (عمل) بنامیم نیروی دیگر واکنش (عکس العمل) نامیده می‌شود. تفاوتی ندارد که کدام نیرو را کنش و کدام نیرو را واکنش بنامیم. در اینجا علت و معلول مورد نظر نیست، بلکه برهمکنش متقابل همزمان مورد توجه است. یعنی که هرگاه جسمی به جسمی دیگر نیرو وارد کند جسم دوم نیز نیرویی به همان بزرگی ولی در خلاف جهت بر جسم اوّل وارد می‌کند. باید توجّه داشت که این دو نیرو به دو جسم مختلف وارد می‌گردند و نباید آن‌ها را با هم برآیندگیری کرد.

مثلاً هنگامی که شخصی بر دیوار نیرو وارد می‌کند دیوار نیز بر شخص نیرو وارد می‌کند اندازه این دو نیرو باهم برابر می‌باشد ولی نیروی اوّل به دیوار وارد می‌شود و نیروی دوم به شخص.

 قانون سوم همیشه در طبیعت صادق نیست مثلاً در مورد نیروهای الکترومغناطیسی وقتی که اجسام مؤثر برهم از یکدیگر بسیار دور باشند یا به تندی شتابدار شوند یا در مورد هر نیرویی که با سرعتهای معمولی از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود، صدق نمی‌کند. خوشبختانه در مکانیک کلاسیک از بسط‌ های قانون سوم استفاده کمی می‌شود و مشکلات آن تأثیر چندانی در مکانیک کلاسیک ندارند.

مثال هایی از قانون سوم نیوتن

مغلطه‌ای از قانون سوم نیوتن

بی دقتی در استفاده از قانون کنش و واکنش و مسئله تناقض: فرض کنید که اسبی کالسکه‌ای را می‌کشد طبق قانون سوم نیوتن کالسکه نیز با همان نیرو اسب را در جهت مخالف می‌کشد، پس اسب نمی‌تواند کالسکه را به حرکت درآورد؟ اشکال این استدلال به این صورت است: اگر می‌خواهیم بدانیم که آیا اسب می‌تواند حرکت کند یا نه، باید نیروهای وارد بر اسب را در نظر بگیریم.نیروهای وارد بر اسب در واقع نیروی وزن کالسکه و نیروی اصطکاک هستند( همان نیروهایی که برخلاف جهت نیرویی که اسب وارد میکند بر اسب وارد میشوند). اسبی که برای کشیدن کالسکه تلاش میکند ، با صرف انرژی بر نیروی وزن کالسکه و اصطکاک غلبه میکند در حالیکه کالسکه برابر نیروی وزن خود اسب را به عقب میکشد، اما زمانیکه اسب نیرویی برابر اصطکاک کالسکه با زمین را به نیرویی که برای غلبه بر وزن کالسکه وارد میکرده بیفزاید، غلبه بر نیروی اصطکاک باعث میشود بتواند با سرعت ثابت کالسکه را به سمت خود بکشد.درحالیکه کالسکه تنها نیرویی برابر وزن خود در خلاف جهت به اسب وارد میکند در واقع اگر اسب تنها با نیرویی که برابر وزن کالسکه است آنرا بکشد و نتواند بر اصطکاک غلبه کند ، کالسکه از جای خود حرکت نخواهدکرد. اسب به این دلیل می‌تواند حرکت کند که نیرویی که با پاهایش وارد می‌کند بزرگتر از نیرویی است که کالسکه با آن اسب را به طرف عقب می‌کشد و کالسکه به این دلیل به حرکت در می‌آید که نیرویی که اسب با آن کالسکه را به طرف جلو می‌کشد بزرگتر از نیروهای اصطکاکی است که کالسکه را به طرف عقب می‌کشند. برای اینکه بدانیم یک جسم حرکت می‌کند باید نیروهای وارد بر آن را بررسی کنیم.

مثالهایی ازعملکرد قانون سوم

1.ماهواره‌ای كه در مدار زمین است: شكل زیر ماهواره‌ای را نشان می‌دهد كه به دور زمین می‌گردد. تنها نیروی وارد بر آن  Fseاست، نیرویی كه از (جاذبه گرانشی‌) زمین بر ماهواره وارد می‌شود. عكس‌العمل متناظر با این نیرو كجاست؟ این نیرو  Fes است،‌ نیروی ناشی از جاذبه گرانشی ماهواره كه بر زمین وارد می‌شود. شاید فكر كنید كه ماهواره به این كوچكی نمی‌تواند جاذبه گرانشی قابل ملاحظه‌ای بر زمین وارد كند، امّا این كار را می‌كند، درست همانطور كه لازمه قانون سوم نیوتن است. اگر فقط اندازه دو نیرو را در نظر بگیریم، می‌دانیم كه Fse=Fes.(به خاطر دارید كه اندازه هر برداری مثبت است) نیروی Fes باعث می‌شود كه زمین شتاب بگیرد،‌ امّا چون جرم زمین خیلی زیاد است، این شتاب آنقدر كوچك است كه آشكار نمی‌شود.

2.كتابی كه روی میز، ساكن است: شكل اول كتابی را نشان می‌دهد كه روی میزی، به حالت سكون،‌ قرار دارد. زمین كتاب را با نیروی Fbe به طرف پایین می‌كشد، امّا كتاب شتاب نمی‌گیرد چون این نیرو با نیروی تماسی Fbt خنثی می‌شود. این نیرو با نیروی اول هم اندازه و در جهت مخالف آن است و میز آن را بر كتاب وارد می‌كند. Fbe و Fbt هم اندازه و در جهت مخالف هم هستند، امّا زوج عمل- عكس‌العمل نیستند. چرا؟ چون هر دو بر یك جسم- به كتاب- وارد می‌شوند. این دو نیرو همدیگر را خنثی می‌كنند و به همین علت است كه شتاب كتاب صفر است. هر یك از این دو نیرو البته باید در جایی یك نیروی عكس‌العمل متناظر هم داشته باشد. این عكس‌العملها كجا هستند؟ عكس‌العمل Fbe، نیروی Feb است، نیروی (گرانشی) وارد بر زمین از طرف كتاب. شكل دوم این زوج عمل- عكس‌العمل را نشان می‌دهد. شكل سوم عكس‌العملFbt را نشان می‌دهد، كه نیروی Ftb است،‌ یعنی نیروی تماسی‌ كه كتاب بر میز وارد می‌كند.

زوجهای عمل- عكس‌العمل این مسئله،‌كه كتاب هم در آنها دخیل است و اجسامی كه این نیروها بر آنها اثر می‌كنند،‌عبارتند از:

زوج اول: (كتاب و زمین)

زوج دوم: (كتاب و میز‌)

3. هُل دادن یك ردیف صندلی: شكل زیر كارگری را نشان می‌دهد كه دو صندوق را هُل می‌دهد. هر یك از این دو صندوق روی صفحه چرخداری است كه می‌تواند با اصطكاك ناچیزی روی زمین حركت كند. كارگر نیروی F1w را بر صندوق 1 وارد می‌كند و صندوق 1 هم با نیروی عكس‌العمل Fw1 كارگر را به عقب می‌راند. صندوق 1 صندوق 2 را با نیروی   F21هُل می‌دهد. (توجه كنید كه كارگر مستقیماً بر صندوق 2 نیرویی وارد نمی‌كند.) كارگر برای اینكه به جلو حركت كند باید یك نیروی Fgw بر زمین وارد كند. Fwg كارگر را به جلو می‌راند.

شكل زیر،‌ سه زوج عمل- عكس‌العمل را نشان می‌دهد:

(صندوق 1 و صندوق 2)

 (كارگر و صندوق 1)

 (كارگر و زمین)

شتاب جسم 2، طبق قانون دوم نیوتن، از نیروی خالص وارد بر آن بدست می‌آید:

شتاب صندوق 1 هم از نیروی خالص وارد بر این صندوق تعیین می‌شود:

در رابطه بالا جمع برداری دو نیرو را به صورت تفاضل اندازه دو نیرو نوشته‌ایم، چون این دو در جهت مخالف هم بر صندوق 1 اثر می‌كنند. اگر دو صندوق در تماس با هم بمانند، شتابشان باید یكی باشد. این شتاب را با a نشان می‌دهیم و دو معادله را با هم جمع می‌كنیم. نتیجه می‌شود كه

اگر مجموعه صندوقهای 1 و 2 را به صورت یك جسم واحد به جرم m1+m2 در نظر می‌گرفتیم هم همین معادله بدست می‌آمد. نیروی خارجی خالص وارد بر این جسم مجموع، F1w است. در این صورت، دو نیروی تماسی در مرز میان صندوق 1 و صندوق 2 نیروهای داخلی هستند و در معادله توصیف كننده جسم یكپارچه وارد نمی‌شوند. نیروهای اتمی‌ كه ذرات جسم را كنار هم نگه می‌دارند هم همین طور؛ هر نیروی داخلی در واقع یكی از اعضای زوج عمل- عكس‌العملی است كه بر اجزای مختلف (مثلاً،‌ دو اتم) اثر می‌كنند. این نیروها،‌ وقتی كه معادلات مربوط به اجزای مختلف را با هم جمع می‌كنیم، در مجموع صفر می‌شوند.

توجه كنید كه در این مثال، كارگر عامل فعالی است كه صندوقها را حركت می‌دهد، امّا آنچه این كار را ممكن می‌كند نیروی عكس‌العمل زمین است. اگر بین زمین و كفشهای كارگر اصطكاكی وجود نمی‌داشت،‌ كارگر نمی‌توانست سیستم را به جلو براند.

4. جسمی كه از فنر آویزان است: شكل الف جسمی را نشان می‌دهد كه، به حالت ساكن، از فنری آویزان است. سر دیگر فنر به سقف متصل است. نیروهای وارد بر جسم،‌ یكی وزن آن W(به طرف پایین) و دیگری نیروی F(‌به طرف بالا) است كه از فنر وارد می‌شود. جسم تحت تأثیر این نیروها در حالت سكون است،‌ امّا این دو نیرو زوج عمل- عكس‌العمل نیستند، چون كه در این مورد هم بر یك جسم وارد می‌شوند. عكس‌العمل به نیروی W نیروی گرانشی‌ است كه جسم بر زمین وارد می‌كند و در شكل نیامده است.

عكس‌العمل به F (نیرویی كه از فنر بر جسم وارد می‌شود) نیرویی است كه از جسم بر فنر وارد می‌شود. برای نشان دادن این نیرو، نیروهای وارد بر فنر را در شكل ج نمایش داده‌ایم. این نیروها عبارتند از’F (كه همان عكس العمل به F است)، w (‌وزن فنر كه معمولاً قابل چشم پوشی است) و P (كه از سقف به فنر وارد می‌شود). وقتی فنر در حالت سكون است، نیروی خالص وارد بر آن باید صفر شود:

عكس‌العمل به P نیرویی است كه (مثلاً به اسم ’ P) كه بر سقف اثر می‌كند. چون در این نمودارها سقف را به عنوان جسم مستقلی بررسی نكرده‌ایم، ’ Pرا هم نشان نداده‌ایم.

واحد های نیرو

وزن و جرم

به صورت روزمره، جرم یک جسم معمولاً به عنوان وزن آن تلقی می‌شود، گرچه این‌ها در واقع مفاهیم و کمیت‌های متفاوت هستند. در محاسبات علمی، جرم مقدار " ماده " در یک جسم است (اگر چه تعریف "ماده" ممکن است سخت و مشکل باشد)، نظر به اینکه که وزن نیرویی است که بر روی جسم بوسیله گرانش اعمال می‌شود. در حالی که وزن یک جسم نسبت با قدرت میدان گرانشی متناسب است، جرم آن ثابت است، تا زمانی که هیچ انرژی یا ماده به جسم اضافه نشود.

تعریف جرم (mass) : به مقدار ماده تشکیل دهنده هر جسم ، جرم می گویند ، براي تعريف جرم مي توان گفت هرچه قدر مقدار ماده موجود در يک جسم بيشتر باشد، جرم آن نيز بيشتر است. واحد آن در دستگاه بين المللي SI  کيلوگرم است. جرم يک کميت عددي يا اسکالر است که تنها با يک عدد بيان مي شود و براي يک جسم مقدار ثابتي است و تفاوتي ندارد که اين جسم در چه مکاني قرار دارد، خواه روي سطح زمين باشد، خواهد در يک مدار در اطراف زمين در حال گردش باشد و يا اينکه در کره ماه باشد، جرم ان جسم ثابت است. اگر جرم جسمي بيشتر از جرم جسم ديگر باشد، با يک نيرو ثابت، تکان دادن جسم با جرم بيشتر سخت تر خواهد بود . جرم را معمولاً با ترازوی دو کفه یا ترازوهای یک کفه الکترونیکی اندازه می گیرند.

تعریف وزن (weight) : وزن هر جسم در واقع نیروی جاذبه ای است که از طرف ستاره یا سیاره بر جسم وارد می شود. بنابراین واحد اندازه گیری وزن نیز مانند همه ی نیروهای دیگر نیوتون است. وزن را به کمک نیروسنج اندازه می گیرند.

رابطه ی زیر بین جرم و وزن برقرار است:

بی وزنی

اگر بی وزنی راحالتی بدانیم که درآن نیروی جاذبه بوسیله نیروی دیگری خنثی میشود،منطقا" بایست جسم در حالتی که روی سطح افقی ساکن می ماند بی وزن باشد،چون این بهترین موردی است که میدانیم نیروی وزن بوسیله نیروی عکس العمل سطح خنثی می شود. عملا برای ایجاد حالت بی وزنی لازم نیست که نیروی جاذبه را خنثی کنیم،بر عکس برای آنکه جسمی بی وزنی باشد باید شرایطی فراهم آید که طی آن هیچ نیروی دیگری به جزجاذبه بر جسم وارد نشود.به عبارت دیگر بایستی نیروی عکس العمل سطح صفر باشد. حرکت جسمی که در اثر نیروی جاذبه بر جسم صورت میگیرد سقوط خوانده میشود. در نتیجه بی وزنی یک حالت سقوط است.سقوط آسانسور در یک معدن یا گردش یک ماهواره به دور زمین مثالهای خوبی برای این حالت است. بی وزنی به معنای هر نوع سقوط نیست.بی وزنی عبارت است از سقوط آزاد.یعنی حرکت جسم تنها وتنها در اثرنیروی جاذبه.

بی وزنی کامل

اگر موشک در یک میدان گرانشی حرکت کند یعنی از موتورهایش استفاده ننماید. این میدان عملا در اطراف موشک یکنواخت است و مفهومش آن است که نیروهای میدان یکسان در تمام نیروهای گرانشی به آن دسته از نیروهایی که نیروی جرم نامیده می‌شوند تعلق دارند. یعنی نیروهایی که بطور همزمان بر تمام نقاط جسم یا سیستم مورد نظر وارد می‌شوند. با توجه به این واقعیت تمام نقاط موشک شتاب یکسانی را بطور همزمان دریافت می‌دارند و تمام برهمکنش آنها با یکدیگر متوقف می‌گردد. فشار وارد بر سطح و عکس العمل آن تواما قطع می‌شود و حالت بی وزنی کامل حاصل می‌گردد.

عوارض بی وزنی بر فضانوردان

• سرگیجه شدید وغش
• ضعف بینایی
• احساس تهوع
• سردرد
• کاهش اشتها
• ضعف عضلات و کاهش بافت ماهیچه ای
• کم خونی(Anemia)
• استخوان های آسیب پذیر و کاهش حجم استخوان ها
•   کمبود مایع بدنی

اندازه گیری نیروها

در اینجا در مورد دو روش دینامیکی و استاتیکی اندازه گیری نیروها بحث می‌کینم.

• روش دینامیکی: در این روش نیروها را برحسب شتابی که در نتیجه اعمال این نیروها بر روی یک جسم ایجاد می‌شود، بیان می‌کنیم. به عنوان یک جسم معیار ، مناسب تر آن است که از جسمی ‌به جرم یک کیلوگرم (کیلوگرم معیار) ، استفاده کنیم. به عنوان محیطی که نیرو را اعمال می‌کند، جسم معیار را بر روی یک میز افقی که دارای اصطکاک ناچیزی است و به آن یک فنر بسته شده است، در نظر می‌گیریم. انتهای دیگر فنر را در دست می‌گیریم. حال فنر را به سمت راست می‌کشیم به نحوی که جسم معیار ، شتابی معادل با 1m/S2  (متر بر مجذور ثانیه) اعمال شود. سپس به عنوان یک تعریف ادعا می‌کنیم که فنر بر روی کیلوگرم معیار ، نیروی ثابتی را که اندازه‌اش برابر با 1 نیوتن (1N) می‌باشد، اعمال کرده است. مشاهده می‌کنیم که فنر به اندازه L∆ از طول کشیده شده اولیه‌اش ، L ، افزایش طول داشته است.ما می‌توانیم آزمایش را با بیشتر کشیدن فنر و یا با استفاده از یک فنر سخت تر و بگونه‌ای که شتابی معادل 2m/S2 را برای جسم معیار ، اندازه بگیریم، تکرار کنیم.

• روش استاتیکی: این روش اندازه گیری نیرو بر پایه تغییر شکل و اندازه یک جسم بدون شتاب (مثلا یک فنر) که بر روی آن نیرویی اعمال می‌شود، استوار است. اساس روش استاتیکی بر این پایه استوار است که ، هنگامیکه یک جسم ، تحت تاثیر چند نیروی مختلف ، دارای شتابی برابر صفر است، حاصل جمع برداری کلیه نیروهای اعمالی ، بر روی جسم ، باید برابر با صفر باشد. این بیان در حقیقت ، بیان قانون دوم نیوتن است. وقتی یک نیروی منفرد بر روی یک جسم اعمال می‌شود، باعث بوجود آمدن شتاب می‌گردد، و این شتاب در صورتیکه نیرویی از نظر اندازه برابر ، ولی از نظر جهت مخالف با آن ، بر روی جسم اعمال کنیم، برابر با صفر می‌شود.

در اندازه گیری نیروها از وسایلی همچون ترازوی فنری و ترازوی کفه ای استفاده می شود:

• ترازو فنری: اگر نیرویی را به عنوان نیرو یکه فرض کنیم، قادر خواهیم بود که نیروها را اندازه بگیریم. برای مثال ، کشش زمینی بر روی یک جسم معیار در یک نقطه خاص را ، می‌توانیم به عنوان نیروی یکه در نظر بگیریم. یک وسیله که معمولا برای اندازه گیری نیرو به این روش مورد استفاده قرار می‌گیرد، ترازوی فنری است. این وسیله شامل یک فنر مارپیچ می‌باشد. یک وسیله که یک شاخص در انتهای آن قرار گرفته است و می‌تواند بر روی ترازو حرکت کند. وقتی نیرویی بر روی ترازو اعمال می‌شود، طول فنر تغییر می‌کند. اگر یک جسم به وزن 1N در محلی که g=9.8m/s2 است، را به فنر آویزان کنیم، فنر تا جایی که کشش فنر بر روی جسم از نظر اندازه ، برابر ولی از نظر جهت مخالف با وزن جسم می‌باشد، کشیده می‌شود. حال می‌توان یک علامت در محلی که شاخص ایستاده است قرار داد، و بر روی آن بر چسب نیروی 1N را قرار داد. به همین ترتیب برای 2N و 3N و... نیز می‌توان وزنه‌های مختلفی را از فنر آویزان و با چسباندن برچسبهای مختلف ، فنر موجود را درجه بندی می‌کنیم. فرض می‌کنیم نیروی اعمالی بر روی فنر هنگامی‌ که شاخص بر روی موقعیت مشابهی می‌ایستد، همیشه مقدار مشابهی باشد. حال می‌توان از این ترازوی درجه بندی شده ، برای اندازه گیری هر نیروی مجهولی استفاده کرد.

• ترازوی کفه‌ای : یک ترازوی کفه‌ای ، روش استاتیکی دیگری را برای اندازه گیری نیرو ، امکان پذیر می‌کند. متداولترین کاربرد این وسیله ، مقایسه اوزان معلوم ، برای شناختن اوزان مجهول است. وقتی بازوها متعادلند، وزنه‌ها باید با هم برابر باشند. از طرفی با توجه به اینکه g برای هر دو بازو یکسان است، برابری وزنه‌ها حاکی از برابری جرمها می‌باشد. بنابراین ترازوی کفه‌ای ، با زون کردن جرمها ، برابری نسبی جرمها را تعیین می‌کنند. (وزنه‌های معلومی ‌که در این نوع ترازو بکار می‌روند، معمولا برحسب گرم می‌باشند.) این سیستم ، برای هر مقدار g که مخالف با صفر باشد، عمل می‌کند. این وسیله برای ارزیابی جرمها در کره ماه هم قابل استفاده است. لیکن قابلیت کاربرد در فضاهای بدون نیروی جاذبه را ندارند. همچنین در بی وزنی نسبی ، یعنی هنگام گردش به دور زمین ، عمل می‌کند.

کاربرد های قوانین نیوتن

آسانسور: وزن واقعی ما هنگامی که به صورت ساکن یا حرکت یکنواخت هستیم سنجیده می شود در حقیقت اگر در یک محیط که با سرعت غیر یکنواخت حرکت می کند قرار بگیریم وزن بدست آمده وزن حقیقی نمی باشد، به عبارت دیگر این وزن ظاهر قضیه است اما باطن چیز دیگری است از این رو عدد بدست آمده ظاهری است.

حال بر اساس قوانین نیوتن حالتهای زیر را برای یک حرکت آسانسور در نظر می گیریم:

الف ) سرعت یکنواخت : (شتاب=صفر) لذا وزن حقیقی با وزنی که ترازو نشان می دهد یکسان است.

ب) شتابدار رو به بالا : وزن ظاهری بیشتر از وزن حقیقی است ،اگر کمی دقت کنید هنگام بالا رفتن آسانسور به کف پای شما فشار وارد می شود.

ج) شتابدار رو به پایین : وزن ظاهری کمتر از وزن حقیقی است ،اگر کمی دقت کنید هنگام پایین رفتن آسانسور  فشار وارد به کف اندکی کاهش می یابد.

د) شتاب آسانسور=شتاب گرانشی است: در این حالت به فرد احساس بی وزنی دست می دهد.

رابطه زیر را به صورت کلی می توان برای وزن ظاهری جسمی که درون آسانسور قرار گرفته است نوشت:

(W'=m(g+a

رابطه فوق برای وزن ظاهری شخص درون آسانسور هنگامی است که با شتاب تند شونده رو به بالا یا کند شونده رو به پایین حرکت می کند.

(W'=m(g-a

رابطه فوق برای وزن ظاهری شخص درون آسانسور هنگامی است که با شتاب کند شونده رو به بالا یا تند شونده رو به پایین حرکت می کند.

از این رو هنگامی که با آسنسور از طبقه بالا به پایین می آیید وزن شما کاهشی را نشان می دهد در حقیقت این امر به دلیل نیروی وارد شده از سوی کف آسانسور به سطح شماست که این نیرو خلاف  نیروی وزن است.

کشش طناب:از طریق لینک میتوانید به طور کلی نیرو کشش نخ و نحوه محاسبه آن را در موقعیت های مختلف بیاموزید:

https://blog.faradars.org/%DA%A9%D8%B4%D8%B4-%D9%86%D8%AE/