انواع نیروها چیست؟ – تاریخچه و تعریف شکل های مختلف نیرو

انواع نیروها در یک تقسیم بندی علمی به دو دسته تماسی و غیر تماسی تقسیم می شود. انواع نیروها از نوع غیرتماسی عبارتست از نیروی گرانشی، نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی. انواع نیروها از نوع تماسی نیز نیروی اصطکاک، نیروی کشش، نیروی نرمال، مقاومت هوا، نیروی فنر و نیروی اصطکاک هستند.

تعریف نیرو به عنوان عامل خارجی است که باعث حرکت و توقف اجسام و یا میل به حرکت و توقف آن ها می شود. در واقع به اثر متقابل دو شیء یا جسم، نیرو گفته می شود که در کتب علوم پایه ششم و پایه هفتم به آن پرداخته شده است. مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک حاضر نیز ما را با انواع نیروها و تعاریف مربوط به آن ها می پردازد.

تاریخچه نیرو

استاتیک و دینامیک علومی بودند که در گذشته مفهوم نیرو در آن ها بررسی شد. قبل از میلاد مسیح و در قرن سوم ارشمیدس کسی بود که مطالعات گسترده ای روی استاتیک انجام داد. اما در مطالعه نیرو در علم دینامیک نقایصی بود که با مطالعات نیوتن اصلاح شدند. تا این که پیشرفت در مکانیک کوانتومی و فهم تاثیر ذرات بر هم از راه برهمکنش های بنیادین نشان داد که اثر نیرو به عنوان عامل خارجی در حرکت و به کمک بوزونهای معیار است.

نیرو چیست؟

عامل بیرونی که می تواند یک جسم را حرکت دهد و یا متوقف کند و همچنین می تواند در یک جسم تمایل به جابجا شدن و یا متوقف شدن ایجاد کند، نیرو نامیده می شود. نیرو یک کمیت برداری بوده و به اجسام شتاب می دهد. با جمع برداری مجموع نیروهایی که به یک جسم وارد می شود می توان شتاب آن را به دست آورد. واحد اندازه گیری نیرو، نیوتون بوده و یک نیوتون برابر مقدار نیروی وارد بر جسمی به جرم یک کیلوگرم است که به آن شتابی برابر یک متر بر مجذور ثانیه می دهد. یک نیوتون برابر با یک کیلوگرم متر بر مجذور ثانیه است.

انواع نیروها

همان طور که گفته شد نیروهایی که بر یک جسم وارد می شود به دو نوع نیروهای تماسی و غیرتماسی یا میدانی تقسیم می شود.

نیروهای تماسی

در صورت تماس فیزیکی دو جسم با یکدیگر نیروی تماسی بین آن ها برقرار می شود. به عنوان نمونه وقتی یک جسم را داخل مایعی مانند آب قرار می دهیم طبق قانون ارشمیدس، نیرویی از طرف مایع به آن جسم وارد می شود. یا وقتی کالسکه هل داده می شود در اثر تماس فیزیکی دست با کالسکه بین آن ها نیروی تماسی برقرار می شود. نیروهای تماسی به ۵ دسته زیر تقسیم می شوند.

نیروی نرمال

وقتی که یک جسم در تماس با یک جسم بی تحرک و ثابت دیگر باشد و نیرویی به این جسم در تماس، وارد شود به آن نیروی نرمال می گویند. مانند کتابی که روی سطح قرار گرفته و از طرف سطح نیروی رو به بالا به آن وارد می شود. این نیرو عمود بر سطح است ولی گاهی این نیرو به طور افقی بین دو جسم وارد می شود. فرد تکیه داده به دیواره متحمل نیروی افقی وارد شده از طرف دیوار است.

نیروی اصطکاک

با ساییده شدن دو جسم به همدیگر نیروی مقاومی در برابر این ساییدگی به وجود می آید که اصطکاک نامیده می شود. سطوح صاف دارای اصطکاک کمی بوده و سرعت حرکت اجسام در این سطوح بیشتر است. اما سطوح زبر، با اصطکاک بیشتر باعث حرکت اجسام با سرعت کمتر می شوند. در اثر ایجاد نیروی اصطکاک بین دو سطح حرارت تولید می شود. به این دلیل است که با مالیدن دو دست خود به هم ایجاد گرما می شود. از جمله فوایدی که وجود نیروی اصطکاک دارد، حرکت اتومبیل ها روی جاده ها و توانایی نگه داشتن و گرفتن قلم در دست است.

انواع نیروی اصطکاک

چهار نوع نیروی اصطکاک به نام های نیروی اصطکاک ایستایی، جنبشی، خشک و تر وجود دارد. نیروی اصطکاک ایستایی به به اجسام ساکن و ثابت در یک سطح وارد می شود. مقدار برآیند این نیرو بر جسم برابر صفر خواهد بود. نیروی اصطکاک جنبشی در نتیجه حرکت یک جسم روی جسم دیگر به وجود می آید. وقتی بین دو جسم از مواد روان کننده ای مانند آب و روغن به کار گرفته نشود، نیروی اصطکاک به وجود آمده، خشک خواهد بود. اما در اصطکاک تر از ماده ای دیگر مانند روغن به عنوان کم کننده اصطکاک استفاده می شود.

نیروی کشش

نیرویی که نتیجه کشش در سیم ها و یا کابل ها باشد به عنوان نیروی کشش است. بدین ترتیب که با وارد شدن نیرو به یک سر کابل یا طناب، کشیده شده و باعث به وجود آمدن این نیرو در سر دیگر می شود. مقدار نیروی کششی با نیروی اعمالی خارجی از سر دیگر طناب برابر بوده و جهت آن با جهت طول سیم یا طناب یکی است.

نیروی مقاومت هوا

وقتی یک جسمی حرکت داده می شود، مولکول های هوا در خلاف جهت حرکت این جسم به آن ها نیرویی وارد می کند که به آن نیروی مقاومت هوا گفته می شود. این نیرو از حرکت اجسام در هوا جلوگیری می کند. در بسیاری از اوقات به دلیل کوچک بودن، این نیرو نادیده گرفته می شود. مقدار نیروی مقاومت هوا در صورت سرعت بالای اجسام، زیاد است. با غلیظ بودن هوا، میزان مولکول های آن بیشتر و به موازات، نیروی مقاوت بیشتری از طرف مولکول ها به اجسام در حرکت وارد می شود.

نیروی فنر

نیروی فنر هم دارای نیروی کشش است و هم دارای نیروی فشردگی. وقتی جسمی به یک نفر متصل می شود با فشردن یا کشیده شدن فنر، به جسم نیرو وارد می شود. این همان، نیروی فنر است. مقدار این نیرو با مقدار فشردگی یا کشیدگی فنر متناسب خواهد بود. این حالت به خصوص برای فنرهایی که از قانون هوک پیروی می کنند صادق خواهد بود.

نیروهای غیرتماسی یا میدانی

به نیروهایی که بین دو جسم از طریق یک میدان برقرار می شود و نیازی به ارتباط مستقیم بین دو جسم نیست، به نام نیروی غیرتماسی یا میدانی نامیده می شود. میدان های مغناطیسی، الکتریکی و گرانشی نمونه هایی از میدان هایی هستند که اجسام دیگر را تحت تاثیر قرار داده و به آن ها نیرو وارد می کنند. به عنوان مثال نیروی گرانشی به اجسامی که تحت تاثیر این میدان قرار می گیرند نیرو وارد می کند. بر این اساس تمام اجسامی که روی زمین هستند تحت تاثیر میدان گرانشی، به آن ها نیروی وزن به سمت مرکز زمین وارد می شود. این نوع از نیروها به چهار دسته نیروی گرانشی، الکترومغناطیسی، هسته ای ضعیف و هسته ای قوی تقسیم می شوند.

نیروی گرانشی

به دلیل جرمی که اجسام دارند، هر جسم اطراف خود میدان گرانشی ایجاد می کند که به جرم هایی که در این میدان قرار دارند اثر می گذارد. نیرویی که در اثر میدان گرانشی بر اجسام جرم دار وارد می شود به نام نیروی گرانشی نامیده می شود. این نیرو با حاصلضرب جرم دو جسم رابطه مستقیم و با مجذور فاصله دو جسم از هم رابطه معکوس دارد. چرخش زمین و سیارات به دور خورشید نتیجه وجود این نیروی گرانشی است. به علت مثبت بودن همیشگی جرم اجسام، نیروی گرانشی از نوع جاذبه است. g به عنوان ثابت گرانش جهانی و برابر ۹,۸ متر بر مجذور ثانیه است.

همه ی اجسامی که روی زمین قرار دارند از نیروی گرانشی زمین متاثر هستند. جهت این نیرو به سمت پایین و مرکز زمین است.

نیروی الکترومغناطیسی

نیرویی که در نتیجه وجود بار الکتریکی در دو جسم ایجاد می شود به نام نیروی الکترومغناطیسی است. به این ترتیب که وقتی دو جسم باردار در فاصله ای از هم قرار گیرند، مقدار و جهت این نیرو با به کارگیری قانون کولن می تواند حساب شود. این نیرو با حاصلضرب بار الکتریکی دو جسم رابطه مستقیم و با مجذور فاصله این دو بار الکتریکی رابطه عکس دارد. نیروی الکترومغناطیسی به دو شکل جاذبه و دافعه وجود دارد، چون بارهای الکتریکی می توانند مثبت و یا منفی باشند. این نیروها را می توان در آهن رباها مشاهده کرد.

باید به این ناکته توجه داشت که اجسام همواره جرم دارند ولی بار الکتریکی در جسم های بزرگ برابر صفر و این اجسام خنثی هستند. به این علت وقتی سیستمی بزرگ باشد از نظر الکتریکی خنثی ولی از از نظر نیروی گرانشی غنی است.

نیروهای هسته ای ضعیف و قوی

ذرات زیر اتمی که با واپاشیدن هسته ها می توانند تابش پرتوهای رادیواکتیو را سبب شوند، نیروی هسته ای ضعیف را سبب می شوند.

اما هسته اتم برای رسیدن به پایداری به کنار هم قرار گرفتن ذرات داخل هسته نیاز دارد. نیروی هسته ای قوی نیرویی است که این ذرات را کنار هم نگه می دارد.

انواع نیروها در شیمی

نیروهای درون مولکولی نیروهایی هستند که اتم ها را در کنار هم نگه می دارند تا مولکول ها را تشکیل دهند. روش‌های مختلفی وجود دارد که اتم‌ ها می‌ توانند با یکدیگر برهمکنش کنند، که منجر به انواع مختلفی از نیروها بین آنها می‌شود. سه نوع نیروی اصلی وجود دارد که کووالانسی، یونی و فلزی است. هر نیرو به طرق مختلف مولکول را در کنار هم نگه می دارد و موادی با خواص متناظر مختلف می دهد.

نیروهای درون مولکولی با نیروهای بین مولکولی متفاوت هستند. در حالی که نیروهای درون مولکولی بین اتم های داخل یک مولکول قرار دارند، نیروهای بین مولکولی برهمکنش بین مولکول های کامل مجزا هستند. مثلا پیوند هیدروژنی زمانی رخ می دهد که مولکول های متعدد آب نزدیک یکدیگر باشند. نیروهای بین مولکولی نیز خواص متفاوتی در مواد ایجاد می کنند، اما نوع نیروی بین مولکولی بین مولکول ها به شدت تحت تأثیر بار یا قطبیت یک مولکول است که از نیروی درون مولکولی آن ناشی می شود.

پیوندهای کووالانسی نوعی نیروی هستند که در آن دو اتم یک جفت الکترون به اشتراک می گذارند. اینها بین دو اتم که به دنبال یک اکتت هستند اتفاق می‌افتد. این پیوند می تواند برای ایجاد یک پیوند قطبی یا یک پیوند غیرقطبی، بسته به الکترونگاتیوی هر اتم اتفاق بیفتد.

برخلاف پیوندهای کووالانسی، پیوندهای یونی الکترون مشترک ندارند. در عوض، یک پیوند یونی زمانی رخ می دهد که یک اتم الکترون را به اتم دیگری در نزدیکی خود اهدا کند. این زمانی اتفاق می افتد که یک فلز و یک نافلز هر دو به دنبال یک هشت هستند.

پیوندهای فلزی کمی متفاوت از دو نوع دیگر هستند. آنها فقط در داخل فلزات رخ می دهند و از آنجایی که فلزات تمایل دارند الکترون های خود را محکم نگه دارند، نیروهای بین اتم های فلز منحصر به فرد هستند. هسته‌های اتم‌های فلز در یک مکان باقی می‌مانند، در حالی که همه الکترون‌ها می‌توانند در اطراف هسته‌ها که به آن «دریای الکترون‌ها» گفته می‌شود، حرکت کنند.