دانلود مقاله علم فیزیک

فیزیک فیزیک از واژه یونانی physikos به معنی « طبیعی» و physis به معنی « طبیعت گرفته شده است.

پس فیزیک علم طبیعت است، به عبارتی در عرصه علم پدیده‌های طبیعی را بررسی می‌کند علم فیزیک علم فیزیک رفتار و اثر متقابل ماده و نیرو را مطالعه می‌کند.

مفاهیم بنیادی پدیده‌های طبیعی تحت عنوان قوانین فیزیک مطرح می‌شوند.

این قوانین به توسط علوم ریاضی فرمول بندی می‌شوند، بطوری که قوانین فیزیک و روابط ریاضی باهم در توافق بوده و مکمل هم هستند و دوتایی قادرند کلیه پدیده‌های فیزیکی را توصیف نمایند.

تاریخچه علم فیزیک از روزگاران باستان مردم سعی می‌کردند رفتار ماده را بفهمند.

و بدانند که: چرا مواد مختلف خواص متفاوت دارند؟

، چرا برخی مواد سنگینترند؟

و ...

همچنین جهان ، تشکیل زمین و رفتار اجرام آسمانی مانند ماه و خورشید برای همه معما بود.

قبل از ارسطو تحقیقاتی که مربوط به فیزیک می‌شد ، بیشتر در زمینه نجوم صورت می‌گرفت.

علت آن در این بود که لااقل بعضی از مسائل نجوم معین و محدود بود و به آسانی امکان داشت که آنها را از مسائل فیزیک جدا کنند.

در برابر سؤالاتی که پیش می‌آمد گاه خرافاتی درست می‌کردند، گاه تئوریهایی پیشنهاد می‌شد که بیشتر آنها نادرست بود.

این تئوریها اغلب برگرفته از عبارتهای فلسفی بودند و هرگز بوسیله تجربه و آزمایش تحقیق نمی‌شدند و بعضی مواقع نیز جوابهایی داده می‌شد که لااقل بصورت اجمالی و با تقریب کافی به نظر می‌رسید.

جهان به دو قسمت تقسیم می‌شد: جهان تحت فلک قمر و مابقی جهان.

مسائل فیزیکی اغلب مربوط به جهان زیر ماه بود و مسائل نجومی مربوط به ماه و آن طرف ماه نیز «فیزیک ارسطو» یا بطور صحیحتر «فیزیک مشائی» بود که در چند کتاب مانند «فیزیک» ، « آسمان» ، « آثار جوی» ، « مکانیک» ، « کون و فساد» و حتی«مابعدالطبیعه» دیده می‌شد.

تا اینکه در قرن 17 ، گالیله برای اولین بار به منظور قانونی کردن تئوریهای فیزیک ، از آزمایش استفاده کرد.

او تئوریها را فرمولبندی کرد و چندین نتیجه از دینامیک و اینرسی را با موفقیت آزمایش کرد.

پس از گالیله ، اسحاق نیوتن ، قوانین معروف خود (قوانین حرکت نیوتن) را ارائه کرد که به خوبی با تجربه سازگار بودند.

بدین ترتیب فیزیک جایگاه علمی و عملی خود را یافت و روز به روز پیشرفت کرد، مباحث آن گسترده‌تر شد، تا آنجا که قوانین آن از ریزترین ابعاد اتمی تا وسیعترین ابعاد نجومی را شامل می‌شود.

اکنون فیزیک مانند زنجیری محکم با بقیه علوم مرتبط است و هنوز هم به سرعت در حال گسترش و پیشرفت می‌باشد.

نقش فیزیک در زندگی هر فرد بزرگ یا کوچک ، درس خوانده یا بی‌سواد ، شاغل یا بیکار خواه ناخواه با فیزیک زندگی می‌کند.

عمل دیدن و شنیدن ، عکس العمل در برابر اتفاقات ، حفظ تعادل در راه رفتن و ...

نمونه‌هایی از امور عادی ولی در عین حال وابسته به فیزیک می‌باشند.

پدیده‌های جالب طبیعی نظیر رنگین کمان ، سراب ، رعد و برق ، گرفتگی ماه و خورشید و ...

همه با فیزیک توجیه می‌شوند.

برنامه‌های رادیو ، تلویزیون ، ماهواره ، اینترنت ، تلفن و ...

با کمک فیزیک مخابره می‌شوند.

با این نمونه‌های ساده می‌توان تصور کرد که اگر فیزیک نبود و اگر روزی قوانین فیزیک بر جهان حاکم نباشند، زندگی و ارتباطات مردم شدیدا دچار مشکل می‌شود.

فیزیک و سایر علوم فیزیک، دینامیک و ساختار درونی اتمها را توصیف می‌کند و از آنجا که همه مواد شامل اتم هستند، پس هر علمی که در ارتباط با ماده باشد، با فیزیک نیز مرتبط خواهد بود.

علومی نظیر: شیمی ، زیست شناسی ، زمین شناسی ، پزشکی ، دندانپزشکی ، داروسازی ، دامپزشکی ، فیزیولوژی ، رادیولوژی ، مهندسی مکانیک ، برق ، الکترونیک ، مهندسی معدن ، معماری ، کشاورزی و ...

.

فیزیک در صنعت ، معدن ، دریانوردی ، هوانوردی و ...

نیز کاربرد فراوان دارد.

اینکه ابزار کار هر شغلی و هر علمی مبتنی براستفاده ازقوانین و مواد فیزیکی است، نقش اساسی فیزیک در سایر علوم و رشته‌ها را نمایان می‌کند.

علاوه برآن استفاده روز افزون از اشعه لیزر در جراحیها و |دندانپزشکی ، رادیوگرافی با اشعه ایکس در رادیولوژی ، جوشکاری صنعتی و ...

نمونه‌هایی از کاربردهای بی‌شمار فیزیک در علوم دیگر می‌باشند.

فیزیک و آینده با این روند رو به رشدی که علم فیزیک در کنار سایر علوم دارد، می‌توان امیدوار بود که در آینده به چراها و چگونگی‌های عالم طبیعت پاسخ داده شود و این دنیای فیزیک سکوی پرتاب به عالم متا فیزیک باشد.

در آینده شاید فیزیک بتواند: رسیدن به سرعت نور و فراتر از آن را مقدور سازد.

مثالهای عجیب نسبیت را عملی کند.

معمای مثلث برمودا را حل کند.

واقعیت یوفوها(بشقاب پرنده‌ها) را مشخص کند.

سرعت سرعت، یک اندازه گیری برداری، از مقدار و جهت جابجایی است.

مقدار مطلق (scalar) بزرگی سرعت، تندی نامیده می‌شود.

سرعت را همچنین می توان بصورت نرخ تغییر جابجایی تعریف نمود.

.در هر دو شاخه مکانیک میانگین تندی v یک جسم که در حال پیمودن مسافت d در مدت زمان t می باشد بوسیله فرمول ساده زیر بدست می‏آید.

:v=d/t.

بردار سرعت لحظه‌ای جسمی v که موقعیتش در زمان t بوسیله ( x(t نشان داده شده را می توان بصورت مشتق آن، از رابطه ذیل محاسبه نمود.

:v=dx/dt.

شتاب تغییر سرعت جسم در خلال زمان است.

میانگین شتاب a جسمی که طی زمان t سرعتش از vi به vf تغییر می کند توسط فرمول ذیل بدست می‌آید.

:a=(vf-vi)/t.

بردار شتاب لحظه ای a جسمی که موقعیتش در زمان t بوسیله ( x(t نشان داده شده بصورت ذیل است .

:a=d2x/(dt)2 محاسبه سرعت نهایی vf جسمی که با سرعت اولیه vi شروع به حرکت کرده سپس در مدت زمان t به شتاب a می رسد اینگونه است: :vf=vi+at متوسط سرعت جسمی با شتاب ثابت برابر (vf + vi) است.

برای پیدا کردن میزان جابجایی d چنین جسم شتابداری در مدت زمان t این مفهوم را در فرمول اول جایگزین کنید تا رابطه ذیل بدست آید : :d=t(vf+vi)/2 هنگامیکه تنها سرعت اولیه جسم مشخص است فرمول :d=vit+(at2)/2 را میتوان مورد استفاده قرار داد.

از ترکیب فرمول های پایه برای میزان جابجایی و سرعت نهایی می توان فرمول جدیدی که مستقل از زمان است را ایجاد نمایند: :vf2=vi2+2ad فرمول های بالا هم در مکانیک سنتی و هم در نسبیت خاص معتبر هستند.

اختلاف مکانیک سنتی و نسبت خاص در توصیف یک وضعیت مشابه بوسیله ناظران متفاوت است.

بخصوص، در مکانیک سنتی تمامی ناظران درباره مقدارt هم عقیده میباشند، همچنین قوانین تغییر وضعیت موقعیتی را ایجاد می نمایند که در آن تمامی ناظران فاقد شتاب، مقدار مشابهی را برای شتاب جسم اعلام می نمایند.

اما هیچیک از آنها در نسبیت خاص درست نیستند.

انرژی کنتیک انرژی جنبشی) یک جسم در حال حرکت با جرم آن جسم و مجذور سرعتش متناسب میباشد.

انرژی کینتیک یک کمیت مطلق «scalar) می‌باشد.

کار از نظر فیزیکی هرگاه بر یک جسم با جرم معین m نیروی معین F وارد شده و آن را در مسیر خود به اندازه x جابجا کند، در این صورت اصطلاحا گفته می‌شود که نیروی F بر روی جسم m کار انجام داده است.

از نظر فیزیکی هرگاه بر یک جسم با جرم معین m نیروی معین F وارد شده و آن را در مسیر خود به اندازه x جابجا کند، در این صورت اصطلاحا گفته می‌شود که نیروی F بر روی جسم m کار انجام داده است.

مقدمه آنچه از واژه کار در اذهان عمومی وجود دارد، با آنچه که در علم فیزیک به عنوان کار تعریف می‌شود، تفاوت دارد.

در نظر عامه مردم هرگونه تلاش یا فعالیت را که از طرف یک شخص انجام می‌شود، کار می‌گویند، گو اینکه نتیجه این عمل مثبت ، منفی یا بی‌ نتیجه باشد.

اما از نظر علم فیزیک عامل انجام کار نیرو است و تنها در شرایط خاصی که عمل نیرو منجر به جابجایی جسم شود، می‌توان به عمل نیرو واژه کار را اطلاق نمود.

بنابراین اگر نیرویی بر یک جسم وارد شده ، ولی نتواند آن را جابجا کند، کار انجام یافته توسط نیرو صفر خواهد بود.

به عنوان مثال فرض کنید یک سنگ بسیار بزرگی در یک محل قرار داده شده است.

حال از یک فرد خواسته می‌شود که این سنگ بزرگ را جابجا کند.

فرد هر چه نیرو وارد می‌کند و به اصطلاح هرچه زور می‌زند، نمی‌تواند سنگ را جابجا کند.

در این حالت علم فیزیک می‌گوید که این فرد هیچ کاری انجام نداده است.

در صورتی که از نظر عمومی وی کار انجام داده است.

لذا واژه کار در علم چیز متفاوت از واژه کار در اذهان عمومی است.

رابطه کار فرض کنید که جسمی به جرم m در یک نقطه معین قرار دارد.

بر این جسم نیروی ثابت F را به مدت معین t وارد کرده و آن را در راستایی که با امتداد نیرو زاویه حاده θ می‌سازد، به اندزه r جابجا می‌کنیم.

در این صورت مقدار کار انجام شده بر روی جسم از رابطه زیر حاصل می‌شود.

W= F.

r= FrCosθ در رابطه فوق F و r کمیتهای برداری هستند و علامت نقطه در وسط آن بیانگر ضرب نقطه‌ای ، ضرب عددی یا اسکالر است.

همچنین W بیانگر کار انجام شده می‌باشد.

محاسبه یکای کار یکای کار را می‌توان از رابطه W=F.r حساب کرد.

اگر برای سادگی فرض کنیم که بردار r در راستای بردار F باشد، در این صورت مقدار کار با حاصلضرب معمولی مقادیر عددی دو بردار F و r برابر خواهد بود.

یعنی W=Fr خواهد بود.

همچنین از مکانیک تحلیلی می‌دانیم که یکای نیرو برابر نیوتن (N) و یکای طول (r) برابر متر (m) است.بنابراین یکای کار برابر Nm خواهد بود.

به افتخار ژول این واحد را ژول می‌نامند، یعنی یک ژول کار برابر با یک نیوتن در متر کار است.

محاسبه کار یک نیروی متغیر اگر چنانچه نیروی F که عامل انجام دهنده کار است، مقدار ثابتی نباشد، یعنی در طول زمان متغیر باشد، در این صورت باید از یک رابطه انتگرالی برای محاسبه کار استفاده کنیم.

در واقع مفهوم این مطلب را می‌توان اینگونه بیان کرد که فاصله جابجایی را به قسمتهای بسیار کوچک dr تقسیم می‌کنیم که در آن F مقداری ثابت است.

سپس کار انجام شده در المان dr را محاسبه کرده و آنها را باهم جمع می‌کنیم و این در واقع همان مفهوم انتگرال است.

اهمیت کار کار در واقع مفهوم بسیار مهمی است که در علم فیزیک نقش بسیار اساسی بازی می‌کند.

به عنوان مثال با استفاده از مفهوم کار می‌توان در مورد یک دستگاه فیزیکی ، کمیتی به نام توان را تعریف کرد.

توان عبارتست از کار انجام شده در واحد زمان بر روی دستگاه ، یا اینکه در مکانیک تحلیلی برای توصیف حرکت ذرات از قضیه کار انرژی جنبشی استفاده می‌کنند.

به عنوان یک مورد دیگر می‌توان اشاره کرد که یکای کار و انرژی از یک نوع است و این امر بیانگر این مطلب است که کار انجام شده بر روی یک جسم به صورت انرژی در آن ذخیره می‌شود.

به عنوان مثال اگر ما با اعمال یک نیروی معین جسمی به جرم m را از روی زمین بلند کرده و در ارتفاع معین h از زمین قرار دهیم، در این صورت بر روی این جسم مقداری کار انجام داده‌ایم.

این کار به صورت انرژی پتانسیل در جسم ذخیره می‌شود.

یعنی جسم در ارتفاع h که در حالت سکون قرار دارد، دارای انرژی mgh می‌باشد، که هرگاه جسم را از ارتفاع h رها کنیم، این انرژی آزاد می‌شود.

بنابراین کار می‌تواند به انرژی تبدیل شود.

به همین دلیل یکای کار و انرژی ، هر دو ژول می‌باشد.

عادل جسم صلب دید کلی مفهوم واژه «تعادل» در میان عامه مردم با آنچه که در فیزیک مرسوم است، بی ارتباط نیست.

در میان عامه مردم موقعیت هر چیز یا شیئی را که پایدار باشد، حالت تعادل گفته می‌‌شود.

حتی در مورد رفتارهای انسان نیز این واژه استعمال می‌‌شود.

مثلا زمانی فردی عصبانی و خشمگین می‌شود، اصطلاحا می‌‌گویند که فرد تعادل روحی خود را از دست داده است.

در فیزیک نیز تقریبا تعادل به همین معنی اطلاق می‌‌شود، اما تعادل فیزیکی با شرایط خاصی احراز می‌‌شود و چون جسم صلب عمومی‌‌ترین شکل از اجسام می‌‌تواند باشد، لذا برای تشریح تعادل در حالت کلی تعادل جسم صلب مورد بحث قرار می‌‌گیرد.

جسم صلب در حالت ایده‌آل واژه «صلب» در مورد جسمی ‌اعمال می‌‌شود که فاصله ذرات آن جسم از یکدیگر ثابت باشد.

هرچند این تعریف در مورد جسم صلب ایده‌آل ، است، اما با تقریب در مورد تمام موارد عملی جسم صلب نیز بکار می‌‌رود.

شرایط تعادل جسم صلب هر جسم صلب در صورتی در حال تعادل مکانیکی است که اگر از یک چارچوب مرجع لخت مشاهده شود، شتاب خطی و شتاب زاویه‌ای مرکز جرم آن نسبت به هر محور ثابتی در این چارچوب مرجع ، صفر باشد.

در اینجا لزومی ‌ندارد که جسم نسبت به ناظر در حالت سکون باشد، بلکه باید شتاب نداشته باشد.

به عنوان مثال ، مرکز جرم می‌‌تواند با سرعت ثابت حرکت کند و جسم حول یک محور ثابت با سرعت زاویه‌ای ثابت ω بچرخد.

اگر چنانچه جسم واقعا در حال سکون باشد، یعنی سرعت زاویه‌ای و سرعت خطی مرکز جرم آن صفر باشد، می‌‌گوییم که جسم در حال تعادل ایستا است.

البته لازم به ذکر است که محدودیتهای مربوط به نیروها و گشتاور نیروها (صفر شدن شتاب زاویه‌ای و شتاب خطی)، چه تعادل ایستا باشد و چه نباشد، یکسان هستند.

همچنین می‌‌توان با انتخاب یک چارچوب مرجع جدید و مناسب هر حالت تعادل ناایستا را به یک تعادل ایستا تبدیل کرد.

بیان دیگری از شرط تعادل جسم صلب با توجه به تعریف نیرو و گشتاور نیرو می‌‌توان تعریف دیگری از شرایط تعادل ارائه داد.

می‌‌دانیم که نیروی وارد بر یک ذره برابر است با حاصل‌ضرب جرم جسم در شتاب خطی آن.

همچنین گشتاور نیرو نیز با حاصل‌ضرب ممان اینرسی در شتاب زاویه‌ای برابر است.

البته در مورد جسم صلب چون فرض می‌‌کنیم که کلیه نیروها و گشتاور نیروهای خارجی بر مرکز جرم اعمال می‌‌شوند، لذا شرایط تعادل را می‌‌توان اینگونه بیان کرد که برای داشتن حالت تعادل در مورد یک جسم صلب باید برآیند کل نیروهای خارجی و نیز برآیند تمام گشتاور نیروهای خارجی صفر باشد.

از طرف دیگر ، چون نیرو و گشتاور نیرو هر دو بردار هستند، بنابراین شرایط تعادل به صورت شش شرط مستقل در می‌آید که سه تا مربوط به سه مولفه نیروی برآیند خارجی و سه تای دیگر مربوط به مولفه‌های گشتاور نیروی برآیند خارجی می‌‌باشند.

اما اغلب به مواردی برخورد می‌‌کنیم که در آنها تمام نیروها در یک صفحه قرار دارند.

در این موارد شش شرط فوق به سه شرط تقلیل می‌‌یابد، یعنی مجموع مولفه‌های نیروها در امتداد هر یک از دو محور متعامد واقع در صفحه باید برابر با صفر و مجموع گشتاور نیروهای آنها نسبت به هر محور عمود بر صفحه نیز باید برابر با صفر باشد.

این شرایط با سه درجه آزادی برای حرکت در صفحه (دو تا مربوط به حرکت انتقالی و سومی ‌مربوط به حرکت دورانی متناظرند(.

چگونگی اعمال شرط تعادل در مورد اجسام صلب برای استفاده از شرایط تعادل می‌‌توان روش کار را به این صورت خلاصه کرد: یک خط فرضی به دور دستگاه مورد نظر می‌‌کشیم.

از این طریق می‌‌توانیم جسم یا دستگاه اجسامی را ‌که قوانین تعادل را در مورد آن بکار می‌‌بریم، تعیین کنیم.

این عمل را منزوی کردن دستگاه می‌‌گویند.

بردارهایی رسم می‌‌کنیم که بزرگی ، جهت و نقطه اثر تمام نیروهای خارجی را نشان دهند.

نیروی خارجی ، نیرویی است که از خارج مرزی که در مرحله اول رسم کرده ایم، وارد می‌‌شود.

نمونه‌هایی از نیروهای خارجی که اغلب در مسائل ظاهر می‌‌شوند، عبارتند از نیروی گرانش ، نیروهای کشش منتقل شده به وسیله نخها، ریسمانها و میله‌های موجود در مسئله و ...

در این مورد از نقطه‌ای که نیرو مرز را قطع می‌‌کند، یک مقطع فرضی طوری رسم می‌‌کنیم که جز منتقل کننده نیرو را دربر داشته باشد.

اگر دو انتهای این مقطع از هم دور شوند، نیرو به طرف خارج اثر می‌‌کند.

در این حالت باید نیروهای خارجی وارد بر سیستم را در نظر بگیریم، چون نیروهای داخلی دو به دو یکدیگر را خنثی می‌‌کنند.

در این مرحله یک دستگاه مختصات متناسب با سیستم مورد بحث انتخاب می‌‌کنیم و در امتداد محورهای آن گشتاور نیروهای خارجی را ، قبل از بکار بستن شرط (صفر گرفتن گشتاور نیروی برآیند) تجزیه می‌‌کنیم.

تشخیص دستگاه مختصات مناسب خیلی راحت است.

کلیه نیروها و گشتاور نیروها را در امتداد محورهای مختصات تجزیه می‌‌کنیم.

حال شرط تعادل ، یعنی صفر شدن کلیه نیروها وگشتاور نیروهای خارجی را اعمال می‌‌کنیم.

به این ترتیب شرط تعادل در مورد یک دستگاه اعمال می‌‌شود.

تعادل اجسام صلب در میدان گرانشی می‌‌دانیم که نیروی گرانشی یک نیروی پایستار است، بنابراین برای تشخیص نوع تعادل ابتدا یک انرژی پتانسیل تعریف می‌‌کنیم.

بدیهی است که نیرو با منفی مشتقات انرژی پتانسیل برابر است.

به عنوان مثال ، مولفه x نیرو با منفی مشتق انرژی پتانسیل نسبت به محور x برابر است.

به این ترتیب انرژی پتانسیل تعیین می‌‌شود.

اگر انرژی پتانسیل کمینه باشد (مینیمم مقدار)، ذره در حال تعادل پایدار است و هر جابجایی از این موضع نیروی برگرداننده‌ای ایجاد می‌‌کند که می‌‌کوشد ذره را به حالت تعادل باز گرداند.

وقتی که انرژی پتانسیل بیشینه (ماکزیمم) باشد، ذره در حالت تعادل ناپایدار است و هر جابجایی از این موضع ، نیرویی ایجاد می‌‌کند که می‌‌کوشد هر چه بیشتر ذره از حالت تعادل دور کند.

زمانی که انرژی پتانسیل مقدار ثابتی باشد، ذره در حال تعادل خنثی است.

در این مورد می‌‌توان بدون اعمال نیروی دور کننده یا بازگرداننده ذره را جابجا کرد.

مثالی از انواع تعادل مکانیک تحلیلی جسم صلب به سیستمی اطلاق می‌شود که شامل تعداد زیادی جرم نقطه‌ای به نام ذره است و فاصله هر دو جرم نقطه‌ای ثابت باقی می‌ماند، حتی اگر جسم حرکت کند یا تحت تاثیر نیروهای خارجی قرار داشته باشد.

دید کلی پایه‌های نگهدارنده یک پل معلق باید آنقدر محکم باشند که بتوانند وزن پل و وسایل روی آن را تحمل کنند.

تجهیزات مربوط به فرود هواپیما نباید به صورتی باشند که صورت بد فرود آمدن هواپیما در هم فرو ریختهو از بین برودیا دندانه‌های یک چنگال باید به گونه‌ای‌ باشد که موقع برداشتن یک تکه گوشت پخته با آنها خم نشوند.

در تمام این موارد ، وسایلی که ذکر شد، هم از نوع جسم صلب هستند.

بنابراین دنیای پیرامون ما پر از اجسام صلب است.

نیروی قیدی آنچه به عنوان تعریف جسم صلب ارائه شد، یک تعریف ایده آلی است، چون اولا چیزی به نام جرم نقطه‌ای به معنی درست وجود ندارد، ثانیا هیچ جسمی با هیچ ابعادی دقیقا صلب نیست، زیرا تحت تاثیر نیروهای خارجی تغییر شکل پیدا می‌کند.

با وجد این یک جسم صلب ایده‌آل در توصیف حرکت مفید واقع می‌شود و نیز انحرافهای فوق چندان مهم نیستند.

به عنوان مثال اگر ابعاد مورد استفاده در مسئله از ابعاد ذره خیلی زیاد باشد، در این صورت تقریب جرم نقطه‌ای تقریب خوبی است.

در هر حال فرض می‌شود که در داخل جسم صلب نیروهایی وجود دارند که ذرات یا جرمهای نقطه‌ای را ثابت نگه می‌دارند.

این نیروها را نیروهای داخلی ا نیروهای قیدی می‌نامند.

نیروهای قیدی در درون جسم صلب به صورت زوج وجود دارند و به شکل کوی از قانون سوم نیوتن تبعیت می‌کنند.

یعنی این نیروها دو به دو مساوی بوده و در جهات مختلف هم قرار دارند و لذا هیچگونه کاری در حرکت جسم صلب انجام نمی‌دهند.

بنابراین قوانین بقای انرژی ، اندازه حرکت خطی و اندازه حرکت زایه‌ای برقرار است.

حرکت جسم صلب در صورت حرکت جسم صلب فرض می‌شود که جسم از تعداد N نقطه‌ای تشکیل شده است.

بنابراین با توجه به پیکربندی سیستم یک مرکز جرم تعریف می‌شود، به گونه‌ای فرض می‌شود، کلیه نیروها و گشتاور نیروهای خارجی که از بیرون بر سیستم اثر می‌کند، بر مرکز جرم وارد می‌شود.

بنابراین مرکز جرم نماینده سیستم بوده و حرکت آن بیانگر سیستم است .

حرکت دورانی جسم صلب همانگونه که برای توصیف حرکت انتقالی جسم صلب از مفهوم مرکز جرم استفاده شد، برای توصیف حرکت دورانی نیز کمیت جدیدی به نام لختی دورانی تعریف می‌کنیم.

لختی دورانی عبارتست از مجموع حاصلضرب جرم تمام جرمهای نقطه‌ای در مربع آنها از محور دوران.

بعد از تعیین مقدار لختی دورانی که با I نشان می‌دهند، به راحتی می‌توانیم انرژی جنبشی دورانی و اندازه حرکت زاویه‌ای را به راحتی تعیین می‌کنیم.

سپس با معلوم بودن گشتاور نیروی وارد بر سیستم معادله حرکت جسم صلب حاصل می‌شود.

البته در توصیف حرکت دورانی جسم صلب بسته به اینکه محور دوران ثابت با متحرک باشد، روش‌های توصیف متفاوت خواهد بود.

تعادل جسم صلب برای بررسی تعادل جسم صلب باید کلیه نیروها و گشتاور نیروهایی را که در جسم می‌شوند، در نظر بگیریم.

برای تعادل باید مجموع کل نیروهای خارجی وارد بر سیستم و نیز مجموع کل گشتاور نیروهای وارد بر سیستم صفر باشد.

انواع حالت‌های تعادلی که می‌توان تصور کرد عبارتند از: تعادل پایدار اگر چنانچه جسم را اندکی از حالت تعادل خود منحرف کنیم، جسم بلافاصله به حالت تعادل برگردد، در این صورت تعادل را پایدار گویند.

مانند تکه آجر مکعب شکلی که بر روی یک از وجوهش قرار دارد.

البته اگر تنها نیروی وارد بر جسم صلب نیروی وزن آن باشد، در این صورت چون این نیرو یک نیروی پایستار است لذا ی‌توانیم انرژی پتانسیل تعریف کنیم.

بنابراین می‌توان گفت که اگر انرژی پتانسیل می‌نیمم مقدار خود را داشته باشد، تعادل پایدار است.

تعادل ناپایدار در این حالت اگر جسم اندکی از حالت تعادل خود منحرف کنیم، جسم می‌افتد و لذا تعادل به هم می‌خورد.

مانند ک آجر مکعب شکلی که بر روی یکی از رئوس خود قرار گرفته است.

در این حالت نیز اگر تنها نیروی وارده ، نیروی وزن جسم صلب باشد، یا نیروهای وارده دیگر پایستار باشند، در این صورت انرژی پتانسیل بیشترین مقدار خود را خواهد داشت.

تعادل بی‌تفاوت در این حالت همان گونه که از نامش روشن است، اگر جسم را اندکی از حالت تعادل خارج کنیم، هیچ فرقی نمی‌کند.

به عنوان مثال می‌توان به یک آجر مکعبی شکلی که بر روی بزرگترین و جهش روی زمین قرار دارد.

گشتاور نیرو عامل مؤثر در گشتن هر جسم به دور محوری را گشتاور نیرو می‌نامند.

دید کلی آیا تابحال به این فکر کرده‌اید که چرا آچار بلند مهره محکم را آسانتر باز می‌کند؟

دو نفر با وزنهای متفاوت در دو سوی الاکلنگ چگونه باید بنشینند تا توازن برقرار شود؟

چرا احتمال واژگون شدن یک ماشین مسابقه از یک ماشین معمولی کمتر است؟

برای پاسخگویی به این سؤالها باید ببینیم نیروها چگونه می‌توانند باعث چرخش شوند.

به عنوان مثال در نظر بگیرید می‌خواهید وارد اتاقی شوید، برای اینکار نیرویی عمودی بر در وارد می‌کنید، در حول لولا (محور) شروع به چرخش می‌کند و باز می‌شود هر چه بزرگتر باشد در راحت تر باز می‌شود.

اگر بار دیگر همین نیرو را به نقاط دورتر در که به لولا نزدیکترند وارد کنید در براحتی باز نخواهند شد، به این ترتیب نتیجه می‌گیریم که هر چه فاصله نقطه اثر نیرو از محور چرخش دورتر باشد و نیز هر چه اندازه نیروی وارد بر در بیشتر باشد در راحت تر باز می‌شود.

خصوصیات گشتاور نیرو گشتاور نیرو کمیتی برداری است و مقدار بردار گشتاور نیرو برابر است با حاصلضرب نیرو در فاصله عمودی آن از محوری که جسم به دور آن می‌گردد.

گشتاور نیرو با حرف (با تلقط تاو) نمایش داده می‌شود.

فاصله عمودی نیرو از نقطه‌ای که جسم حول آن می‌گردد را بازوی گشتاور می‌نامند.

نقطه چرخش را می‌توان روی تکیه گاه جسم یا روی محور چرخش جسم در نظر گرفت.

رابطه گشتاور نیرو (d بازوی گشتاور) (مقدار نیرو × بازوی گشتاور) یکای گشتاور نیرو ، نیوتن متر است.

روش دیگر محاسبه گشتاور نیرو برای محاسبه گشتاور نیرو می‌توانیم نیروی را به دو مؤلفه عمود بر هم تجزیه کنیم، بطوری که یکی از مؤلفه‌ها از محور دوران یا گذشته و دیگری عمود بر این محور باشد.

حال نیروی را به دو مؤلفه و روی این دو محور تجزیه می‌کنیم، گشتاور نیروی برابر برآِیند گشتاورهای دو نیروی - است.

پس گشتاور هر یک از نیروهای و را محاسبه می‌کنیم، برآیند این دو گشتاور ، گشتاور کل را تشکیل می‌دهد.

اما بازوی گشتاور نیروی برابر صفر است.

علامت گشتاور نیرو اگر گشتاور نیرو ، جسم را در جهت مثلثاتی دوران دهد علامت آن مثبت و اگر در خلاف جهت مثلثاتی دوران دهد علامت آن را منفی در نظر می‌گیرند.

گشتاور صفر نیروهایی که امتداد آنها از نقطه عبور می‌کند گشتاور نیرویی نسبت به این نقطه ندارند.

بنابراین نیرویی که تکیه گاه بر میله وارد می‌کند دارای گشتاور صفر می‌باشد.

قانون گشتاورها در یک جسم متعادل ، جمع گشتاورهای پاد ساعتگرد با جمع گشتاورهای ساعتگرد ، حول هر نقطه دلخواه برابر است.

تعادل جسمی را در حال تعادل گویند که هر دو شرط زیر درباره آن درست باشد: برآیند نیروهای وارد بر آن صفر باشد.

جمع گشتاور نیروهای ساعتگرد حول هر نقطه ، برابر جمع گشتاور نیروهای پاد ساعتگرد حول همان نقطه باشد.

به کمک معادله‌های مربوط به روش فوق می‌توان اندازه نیرویی مجهول ، یا فاصله نقطه اثر آنها از نقطه چرخش را حساب کرد.

برای انجام این کار: جهتهایی را انتخاب کنید که معادله‌های نیروها را آسان می‌کنند.

برای مثال برآیند نیروهای رو به بالا و برآیند نیروهای رو به پایین همیشه باهم برابرند.

نقطه چرخش را انتخاب کنید که محاسبه گشتاورها را آن می‌سازد، اگر بیش از دو نیرو وجود دارد نقطه چرخش را جایی انتخاب کنید که یکی از نیروها در آنجا به جسم وارد می‌شود، در این صورت گشتاور نیرو حول آن نقطه چرخش صفر می‌شود، بنابراین محاسبه ساده‌تر خواهد شد.

جفت نیرو دو نیرو که اثر چرخش یکدیگر را خنثی می‌کنند جفت نیرو نام دارند و شرط زیر را دارند: اندازه آنها برابر و جهت آنها مخالف است.

بر روی یک خط راست عمل نمی‌کنند.

گشتاوری بر جسم وارد می‌کنند و بنابراین تمایل دارند که آنرا بچرخاند.

‌برآیند آنها صفر است.

‌اندازه گشتاور نیرو (جفت نیرو) برابر است با حاصلضرب اندازه یکی از نیروها ضربدر فاصله دو نیرو از هم.

موضوع : استاد ارجمند : جناب آقای قاسمی فرد ارائه دهنده : کتایون پور نوری زمستان 86