کار و انرژی و انواع نیرو ها

[آیدا.ف]

کار و انرژي:

تعريف كار: حاصل ضرب نرده‌اي بردار نيرو در بردار جابجليي كار ناميده مي‌شود و يا عبارت از حاصلضرب جابجايي در تصوير نيروي محور جابجايي كار است.

aزاويه بين نيرو و جابجايي است W=F.d.cosa واحد كار ژول است.

تعريف ژول: ژول واحد كار است و آن هم مقدار كاري است كه اگر نيروي يك نيوتن به جسم وارد جسم را به اندازه يك متر جابجا كند.

نكته:

واحد ديگر كار ارگ مي‌باشدکه هر 1 ارگ برابر 10-7 j است.

بحث در فرمول كار

الف: اگر نيرو هم جهت با بردار جابجايي باشد در اين صورت كار ماكسيمم است.

ب: اگر o<90< FONT>د در اين صورت كار مثبت است

ج: اگر a=0د در اين صورت كار صفر است.

ه: اگر 90<180< FONT> باشد در اين صورت كار منفي است.

نكته:

منظور از كار منفي كار نيروي اصطكاك است كه باعث كاهش انرژي مي‌شود و به صورت انرژي پتانسيل در جسم ذخيره مي‌شود.

مثال:

شخصي تحت زاويه30 نيروي 60 نیوتن را بر جسمي به جرم 5 کیلوگرم وارد مي‌كند. كار انجام شده روي جسم درد مدت2 ثانيه در هر يك از حالات زير چقدر است. الف) بدون ضريب اصطكاك ب) ضريب اصطكاك 2/0 است.

تعريف نيروي پايستار: نيرويي كه كار آن مستقل از مسير حركت است و به مسير بستگي ندارد و فقط ابتدايي و انتهايي بستگي دارد را نيروي پايستار گويند مانند وزن نيروي كشسايي فنر.و نیروی وزن جسم در سطح زمین.

تعريف نيروي ناپايستار: نيرويي كه كار آن به مسير حركت بستگي دارد. مانند نيروي اصطكاك.

نكته:كار نيروي كشساني فنر به مسير حركت بستگي ندارد و نيروي فنر يك نيروي پايستار است.

قضيه كار و انرژي:

تغييرات انرژي جنبشي يك جسم در يك مدت معين برابر كار برآيند نيروهاي وارد بر جسم در آن مدت است. Wt=K2-K1

تست: گلوله‌اي به جرم 25 گرم با سرعت 100 متر برثانیه به تنه درختي برخورد كرده و 43 سانتی متر درون درخت فرو رفته و متوقف مي‌شود کار انجام شده بر روي گلويه چقدر است.

الف)

ب)

ج)

د)

تست: جرم يك سورتمه10 كيلوگرم است. با سرعت 2 متر بر ثانیه به اندازه 12 متر جابجا مي‌شود نيروي F چقدر باشد تا سرعت سورتمه 4 متر بر ثانیه گردد.

الف)

ب) 10

ج)

د) 20

انرژي: قابليت انجام كار را انرژي گويند. (كار نهفته در جسم)

انرژي كميت اسكالر است واحد انرژي ژول است. و انرژي دو نوع است.

انرژي جنبشي: هر جسمي كه در حال حركت باشد داراي انرژي جنبشي است. انرژي جنبشي را با نشان مي‌دهند واحد آن ژول است. انرژي با جرم و مجذور سرعت نسبت مستقيم دارد. K=mV2/2

انرژي پتانسيل: انرژي نهفته شده در جسم مي‌باشد كه به واسطه موقعيتي كه نسبت به وضعيت تعادل خود پيدا مي‌كند دارد مي‌باشد بر هر نوع گرانشي و انرژي پتانسيل متر تقسيم مي‌شود.

انرژي پتانسيل گرانشي: هر جسمي كه نسبت به زمين داراي ارتفاع باشد انرژي پتانسيل گرانشي دارد كه در جسم ذخيره مي‌شود.

U=mgh

انرژي پتانسيل فنر: هر گاه فنري به ضريب سختي را به اندازه از وضعيت تعادل خارج كنيم انرژي ذخيره شده در آن بق رابـ ـطه هوك از رابـ ـطه زير به دست مي‌آيد. U=Kx2/2

انرژي مكانيكي: مجموع انرژي جنبشي و پتانسيل جسم را انرژي مكانيكي دروني جسم گويند.

پايستگي انرژي مكانيكي: در يك دستگاه پايستار كه فقط نيروهاي پايستار بر آن وارد مي‌شود و انرژي جنبشي و پتانسيل قابل تبديل به يكديگر مي‌باشد انرژي مكانيكي همواره پايستار است.

يعني در سيستمي كه با محيط خارج خود تبادل انرژي ندارد مجموع انرژي جنبشي و پتانسيل همواره مقدار ثابتي است.

نكته:هر گاه سرعت دو جسم يكسان باشد جسمي كه جرمش بيشتر است انرژي جنبشي بيشتري دارد.

اگر دو جسم داراي اندازه حركت يكسان باشند آنكه جرمش بيشتر است انرژي جنبشي كمتري دارد.


انواع نیروها در فیزیک دبیرستان

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:

1. نيروهاي گرانشي 2. نيروهاي الكترومغناطيس 3. نيروي برهمكنش ضعيف 4. 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 رابـ ـطه 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 نيروهايالكتريكي در سيستمهاي بزرگ يكديگر را خنثي مي كنند اما نيروي گرانش همچنان وجود دارد. به اين دليل نيروهاي گرانشي در مقياس كيهاني بر جهانتسلط دارند. برعكس، جهان نزديك ما تحت تأثير نيروهاي الكتريكي است . چون در مقياس اتمي از نيروي گرانشي خيلي قويترند . جالب است بدانيدبه 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 10-15 متر حائز اهميت است متر و حتي در فواصل اتمي یعنی 10-10 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.