قانونِ دومِ نیوتون
یک چرخ‌دستیِ خالیِ فروشگاه را با یک هلِ کوچک به راه می‌اندازید. همان چرخ‌دستی وقتی پر از کیسه‌های برنج و بطری‌های آب است، با همان هل به‌زحمت تکان می‌خورد. و اگر دو نفر هلش بدهند، زودتر راه می‌افتد. این سه تجربه را یک قانون توضیح می‌دهد.
نیروی خالص شتاب می‌سازد
در درسِ پیش دیدیم که اگر نیروهای واردشده به جسم متوازن باشند، سرعتش تغییر نمی‌کند. پس برعکسش هم درست است: هر وقت نیروی خالص صفر نباشد، سرعتِ جسم تغییر می‌کند؛ یعنی جسم شتاب می‌گیرد. جهتِ این شتاب همان جهتِ نیروی خالص است. اگر نیروی خالص هم‌جهتِ حرکت باشد، جسم تند می‌شود؛ اگر خلافِ جهتِ حرکت باشد، کند می‌شود؛ و اگر از پهلو وارد شود، جهتِ حرکت را عوض می‌کند.
چقدر شتاب؟
اگر با دقت آزمایش کنیم، دو چیز می‌بینیم:
- اگر جرم ثابت باشد و نیروی خالص را دو برابر کنیم، شتاب هم دو برابر می‌شود. شتاب با نیرو نسبتِ مستقیم دارد.
- اگر نیرو ثابت باشد و جرم را دو برابر کنیم، شتاب نصف می‌شود. شتاب با جرم نسبتِ وارون دارد.
نیوتون این دو را در یک رابطه گذاشت که امروز قانونِ دومِ نیوتون نام دارد:
شتاب = نیروی خالص ÷ جرم یا نیروی خالص = جرم × شتاب
با نمادها: F = m × a. در این رابطه نیرو برحسبِ نیوتون، جرم برحسبِ کیلوگرم و شتاب برحسبِ متر بر مربعِ ثانیه است. در واقع یک نیوتون را همین‌طور تعریف می‌کنند: نیرویی که به جسمی یک کیلوگرمی شتابِ یک متر بر مربعِ ثانیه بدهد.
مثال ۱ نیروی خالصِ ۹۰ نیوتون به جعبه‌ای ۳۰ کیلوگرمی روی کفِ صاف وارد می‌شود. شتابش ۹۰ ÷ ۳۰ = ۳ متر بر مربعِ ثانیه است.
مثال ۲ اسکوتری با سرنشینش ۱۲۰ کیلوگرم جرم دارد و با شتابِ ۲ متر بر مربعِ ثانیه راه می‌افتد. نیروی خالصِ واردشده به آن ۱۲۰ × ۲ = ۲۴۰ نیوتون به جلوست.
نیروی زیاد، جرمِ کم
خودروهای مسابقه را طوری می‌سازند که موتوری بسیار قوی و بدنه‌ای تا جای ممکن سبک داشته باشند. طبقِ قانونِ دوم، نیروی زیاد و جرمِ کم هر دو شتاب را بیشتر می‌کنند. کامیونِ پر بار برعکس است: موتورش قوی است، اما جرمش آن‌قدر زیاد است که آرام راه می‌افتد و دیر هم می‌ایستد.
هشدار
خودروی سنگین، به خاطرِ جرمِ زیادش، با همان نیروی ترمز شتابِ کمتری می‌گیرد و دیرتر می‌ایستد. هیچ‌وقت درست جلوی کامیون و اتوبوسِ در حالِ حرکت از خیابان رد نشوید.
در خانه امتحان کنید
یک ماشینِ اسباب‌بازیِ کوچک را روی زمینِ صاف با یک تلنگرِ انگشت راه بیندازید و ببینید چقدر جلو می‌رود. حالا چند سکه رویش بچسبانید و با همان تلنگر امتحان کنید. بعد با تلنگرِ محکم‌تر. نتیجه را با قانونِ دوم توضیح دهید.
واژه‌های این درس
- قانونِ دومِ نیوتون - نیروی خالص = جرم × شتاب؛ شتاب هم‌جهتِ نیروی خالص است.
- نسبتِ مستقیم - یکی دو برابر شود، دیگری هم دو برابر می‌شود.
- نسبتِ وارون - یکی دو برابر شود، دیگری نصف می‌شود.
ایده‌ی اصلی
نیروی خالص به جسم شتاب می‌دهد، هم‌جهت با خودش. شتاب با نیرو زیاد و با جرم کم می‌شود: نیروی خالص = جرم × شتاب.