گام به گام علوم تجربی نهم | فصل 5: نیرو

دانش آموزان در شکل‌های زیر جسمی که در ابتدا ساکن است، را هل می‌دهند. اثر اعمال این نیروها را در هر شکل توضیح دهید. (سطح زمین را صاف و صیقلی فرض کنید تا بتوانید از نیروی اصطکاک صرف نظر کنید)

الف) دانش آموزان از دو طرف با نیروی 100N جعبه را هل می‌دهند.

هر دو نیروی 100 نیوتن در خلاف جهت هم وارد می‌کنند و بنابراین برآیند نیروها برابر صفر است و جسم حرکت نمی‌کند.

ب) دانش آموز سمت چپ با نیروی ۱۲۰N و دانش آموز سمت راست با نیروی ۵۰N جعبه را هل می‌دهد.

نیروها در خلاف هم هستند و نیرویی که به سمت راست وارد می‌شود، بیشتر است. پس جسم به سمت راست حرکت می‌کند.

پ) هر دو دانش آموز با نیروی ۶۰N جسم را به طرف راست هل می‌دهند.

نیروها هم جهت هستند و برآیند آنها با جمع نیروها به دست می‌آید و در مجموع نیروی خالص 120 نیوتن به راست وارد می‌شود و جسم حرکت می‌کند.

از این فعالیت چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

هر گاه نیروی خالصی به جسم ساکن اثر کند، جسم شروع به حرکت می‌کند.

الف) اگر بخواهیم جسمی را به حرکت درآوریم یا سرعت آن را تغییر دهیم، چه باید کنیم؟

باید نیروی خالصی در جهت مورد نظر به آن وارد کنیم. اگر ساکن باشد در اثر نیرو به حرکت در می‌آید و اگر در حرکت باشد، سرعت آن افزایش یا کاهش می‌یابد.

ب) اگر خودرویی بخواهد متوقف شود، باید در کدام جهت به آن نیرو وارد شود؟

باید نیروی خالصی در جهت خلاف حرکت به آن وارد شود. برای این منظور نیروی موتور کاهش می‌یابد تا نیروی اصطکاک که در خلاف جهت حرکت خودرور است به نیروی موتور غلبه کند و خودرو متوقف شود.

وسایل و مواد لازم: میز، چهار چرخه، قرقره، نخ، وزنه‌های مختلف، سنگ ریزه، قلاب

۱- مطابق شکل وزنهٔ کوچک را با نخ به جسم واقع بر روی میز وصل کنید تا جسم شروع به حرکت کند و شتاب بگیرد.

۲- جرم وزنهٔ آویزان را ۲ برابر کنید و دوباره به زمان حرکت جسم توجه کنید.

زمان حرکت جسم کمتر می شود.

۳- این کار را با ۳ یا ۴ برابر کردن جرم وزنه ادامه دهید. در کدام حالت جسم سریع‌تر طول میز را طی می‌کند؟ شتاب جسم در کدام حالت بیشتر است؟

هر چه جرم وزنه بیشتر می‌شود، جسم سریع‌تر طول میز را طی می‌کند. پس هر چه نیرو بیشتر می‌شود، شتاب حرکت چهارچرخه بیشتر می‌شود.

از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

با افزایش نیروی خالص وارد بر جسم، شتاب آن بیشتر می‌شود. شتاب یک جسم با نیروی وارد بر آن رابطۀ مستقیم دارد.

۴- این بار وزنهٔ آویزان را تغییر ندهید؛ یعنی نیروی وارد بر جسم را عوض نکنید، بلکه جرم جسم روی میز را تغییر دهید و به تدریج جرم آن را با قرار دادن مقداری شن یا سنگ یا… در درون آن افزایش دهید و هر بار به شتاب حرکت جسم توجه کنید. با افزایش جرم جسم، چه تغییری در شتاب حرکت جسم دیده می‌شود؟

هر چه جرم چهارچرخه بیشتر می‌شود، شتاب حرکت جسم کاهش می‌یابد.

از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

با افزایش جرم جسم، شتاب آن کمتر می‌شود. شتاب جسم با جرم آن رابطۀ وارون دارد

خودروهای مسابقه به گونه‌ای طراحی می‌شوند که دارای موتورهای قوی باشند تا بتوانند نیروی زیادی را بین جاده و خودرو ایجاد کنند. همچنین آنها تا آنجا که ممکن است سبک طراحی می‌شوند. این نوع طراحی؛ یعنی نیروی زیاد موتور و جرم کم اتومبیل، روی شتاب آنها چه تأثیری می‌گذارد؟

نیروی زیاد و جرم کم هردو به افزایش شتاب خودرو کمک می‌کنند. افزایش نیرو، شتاب را زیاد می‌کند. کاهش جرم هم شتاب را زیاد می‌کند.

جرم دانش آموزی ۵۰ کیلوگرم است. وزن این دانش آموز در سطح زمین چقدر است؟

وزن برابر نیروی گرانش وارد به یک جرم است که از حاصل ضرب جرم در شتاب گرانش زمین (تقریباً 10 ) به دست می‌آید.

W=mg

10×50=500N

فرض کنید مطابق شکل پسر و اسب، روی اسکیت‌ها ساکن‌اند. پسر، اسب را هل می‌دهد و هر دوی آنها شتاب پیدا می‌کنند و به حرکت در می‌آیند اما شتاب آنها در خلاف جهت یکدیگر است. کدام یک از آنها دارای شتاب بیشتری می‌شود؟ توضیح دهید.

وقتی پسر اسب را هل می‌دهد نیرویی (نیروی کنش) را به اسب وارد می‌کند. بر اساس قانون سوم نیوتن اسب هم همان قدر نیرو (نیروی واکنش) به پسر وارد می‌کند.

چون اندازهٔ نیروهای کنش و واکنش برابرند، ولی جرم پسر خیلی کمتر از جرم اسب است، پس پسر شتاب بیشتری پیدا می‌کند.

اگر در شکل ۱۳ جرم جسم 10kg باشد، وزن جسم و مقدار نیروی عمودی سطح چند نیوتون است؟

W=mg

10*10=100N

وزن جسم برابر با 100نیوتن میباشد. مقدار نیروی عمودی سطح نیز برابر با 100N میباشد.

آزمایشی طراحی کنید که با آن بتوانید:

الف) نیروی اصطکاک وارد بر جسمی مانند یک قطعه چوب مکعبی در حال لغزش روی سطح را اندازه بگیرید.

ب) نشان دهید که نیروی اصطکاک جنبشی به طور محسوسی به مساحت سطح تماس دو جسم بستگی ندارد.

پ) نشان دهید که هرچه جسم سنگین‌تر شود (با قرار دادن اجسام دیگر روی مکعب) نیروی اصطکاک جنبشی نیز افزایش می‌یابد.

ساختاری مانند شکل زیر را برای این آزمایش آماده کنید.

1- جرم وزنۀ M را کم کم اضافه کنید تا وقتی که قطعه چوب شروع به حرکت کند. (برای این منظور از وزنه‌های 100 گرمی یا کوچک‌تر استفاده کنید و یکی یکی وزنه‌ها را اضافه کنید)

2- مقداری از که M بتواند، قطعه را به حرکت در آورد را ایستایی M بنامید. معادل با نیروی اصطکاک ایستایی است. یعنی نیروی اصطکاک ایستایی برابر است با  g ایستایی M.

3- مدتی پس از حرکت، یکی از وزنه‌ها را بردارید، آیا باز هم قطعه به حرکت ادامه می‌دهد؟ اگر حرکت ادامه داشت، وزنه‌ها را یکی یکی کم کنید تا از حرکت باز ایستد. مقداری از M که قطعه بتواند به حرکت خود ادامه دهد را جنبشی M بنامید.
نیرویی که به ازای آن هنوز قطعه به حرکت خود ادامه می‌دهد برابر نیروی اصطکاک جنبشی است. یعنی نیروی اصطکاک جنبشی برابر است با g جنبشی M
البته دقت کنید برای انجام این آزمایش ممکن است به وزنه‌های کوچک‌تر نیاز داشته باشید.

4- آزمایش را به صورت زیر تکرار کنید:
جرم وزنه را طوری انتخاب کنید که قطعه شروع به حرکت کند.
مدتی پس از حرکت وزنه را بردارید. مشاهده می‌کنید که قطعه به مدت کوتاهی به حرکت خود ادامه می‌دهد و سپس متوقف می‌شود این (زمان را t بنامید). زیرا در این حالت نیروی پیش‌ران حذف شده است و نیروی اصطکاک جنبشی باعث کاهش شتاب و در نهایت توقف قطعه می‌شود.
اکنون قطعه را روی وجه دیگری که مساحت آن فرق دارد، قرار دهید وآزمایش 4 را تکرار کنید. مشاهده می‌کنید که زمان t تغییر چندانی نکرده است.
این آزمایش را روی وجه‌های دیگر نیز می‌توانید انجام دهید. بنابراین شتاب حرکت تغییر محسوس نکرده است و در نتیجه نیروی اصطکاک جنبشی تغییر محسوسی نداشته است.

5- روی قطعه چوب وزنه‌ای 100 گرمی قرار دهید تا سنگین‌تر شود.
جرم وزنه را طوری انتخاب کنید که قطعه حرکت کند.
مدتی پس از حرکت وزنه را بردارید. مشاهده می‌کنید که قطعه به مدت کوتاهی به حرکت خود ادامه می‌دهد و سپس متوقف می‌شود (این زمان را t₁₀₀ بنامید)
زمان t₁₀₀ کمتر از زمان t است. زیرا نیروی اصطکاک جنبشی افزایش یافته است و شتاب کاهش سرعت بیشتر شده است.
آزمایش 5 را با قرار دادن یک وزنۀ 200 گرمی روی قطعه چوب تکرار کنید.
زمان t₂₀₀ کمتر از زمان t₁₀₀ است. زیرا نیروی اصطکاک جنبشی افزایش یافته است و شتاب کاهش سرعت بیشتر شده است.

با مراجعه به منابع معتبر،تحقیق کنید:
الف) در چه مواردی باید نیروی اصطکاک را کم کرد و این عمل چگونه انجام می‌شود؟

در ورزش اسکی برای کاهش اصطکاک از واکس زدن چوب اسکی استفاده می‌شود.
روغن کاری سطوح یاتاقان‌ها برای جلوگیری از فرسودگی آنها
برای بهتر عمل کردن ترمز ماشین لازم است که زبری و جنس لنت ترمز مناسب باشد.
استفاده از بلبرینگ اصطکاک را کاهش می‌دهد. بلبرینگ‌ها دارای سطح گرد و صاف هستند و به هنگام تماس با اجزای دیگر روی آنها می‌غلتند.

ب) در چه مواردی باید نیروی اصطکاک را افزایش داد و این عمل چگونه انجام می‌شود؟

ژیمناست دست‌هاى خود را قبل از انجام حرکت روى وسیلهٔ ورزشى به پودر منیزیم آغشته مى‌سازد تا بتواند میله را محکم در دست خود نگه دارد و از سر خوردن دست جلوگیرى نماید.
کفش‌هاى بسکتبال طورى ساخته مى‌شوند که کف آنها روى کف‌پوش زمین سر نخورد و حداکثر اصطکاک به وجود آید.
پاشیدن شن یا نمک روی سطح جادهٔ لغزنده در برف و یخبندان زمستان برای جلوگیری از سرخوردن خودروها
در اسکی کوهستان برای صعود از پوست مخصوصی استفاده می‌شود که زیر چوب اسکی چسبانده می‌شود و اصطکاک زیر اسکی را افزایش می‌دهد و با این تکنیک می‌توان بر روی برف صعود کرد.
انسان با استفاده از اصطکاک آتش روشن می‌کند.