قانون دوم نیوتن چیست؟ (مبانی علمی)
قانون دوم نیوتن سنگ بنای مکانیک کلاسیک است. این اصل بیان میکند که "شتاب یک جسم با نیروی خالص وارد بر آن رابطه مستقیم و با جرم جسم رابطه عکس دارد." به زبان سادهتر، اگر بخواهید جسم سنگینتری را حرکت دهید، به نیروی بیشتری نیاز دارید. این قانون نه تنها در فیزیک دبیرستان، بلکه در طراحی خودرو، مهندسی هوافضا و حتی محاسبات پرتاب موشک نیز کاربرد حیاتی دارد.
فرمول محاسبه نیرو
رابطه ریاضی این قانون به صورت زیر نوشته میشود:
F = m × a- F= نیرو (Newtons)
- m= جرم (kg)
- a= شتاب (m/s²)
مثالهای کاربردی در دنیای واقعی
۱. هل دادن خودرو
فرض کنید یک خودروی پراید با جرم تقریبی ۹۰۰ کیلوگرم خراب شده است. اگر شما و دوستانتان بتوانید شتابی معادل0.5 m/s²به آن بدهید، نیروی وارد شده برابر با ۴۵۰ نیوتن خواهد بود.
۲. ضربه پنالتی
یک توپ فوتبال با جرم ۴۵۰ گرم (۰.۴۵ کیلوگرم) هنگام شوت زدن شتابی وحشتناک معادل200 m/s²میگیرد. نیروی پای بازیکن در لحظه ضربه حدود ۹۰ نیوتن است.
۳. آسانسور
موتور آسانسور برای بالا بردن کابین ۵۰۰ کیلوگرمی با شتاب2 m/s²، باید نیرویی معادل ۱۰۰۰ نیوتن (علاوه بر غلبه بر وزن) تولید کند.
خطاهای رایج محاسباتی
- اشتباه گرفتن جرم و وزن: جرم (kg) مقدار ماده است، اما وزن (N) نیروی گرانش است. در فرمول F=ma همیشه از جرم استفاده کنید.
- عدم تبدیل واحدها: همیشه جرم باید به کیلوگرم (kg) تبدیل شود. اگر جرم را به گرم (g) دارید، آن را بر ۱۰۰۰ تقسیم کنید.
- نادیده گرفتن اصطکاک: در مسائل واقعی، نیروی محاسبه شده نیروی «خالص» است. نیروی موتور باید بر اصطکاک هم غلبه کند.
- علامت شتاب: شتاب ترمز (کاهنده) منفی است که باعث ایجاد نیروی منفی (در خلاف جهت حرکت) میشود.
- واحدهای غیراستاندارد: استفاده از واحدهایی مثل پوند یا فوت در فرمول SI باعث خطای محاسباتی بزرگ میشود.