دانلود مقاله قوانین فیزیک جاذبه نیوتن الکترومغناطیس

مقدمه

کمیت‌های فیزیکی ... سنگ بنای علم فیزیک کمیتهای فیزیکی است که ما برای بیان قوانین فیزیک از آنها استفاده می‌ کنیم از جمله می‌توان از طول، جرم، زمان، نیرو، سرعت و چگالی، مقاومت و شدت میدان مغناطیسی نام برد. بسیاری از این واژه‌ها مانند طول و نیرو در گفتگوهای روزمره نیز بکار می‌روند. مثلاً ممکن است گفتهشود: « من اینکار را هر قدر هم طول بکشد، بخاطر شما با تمام نیرو انجام می‌دهم». ولی در فیزیک باید واژه‌های به کمیتهای فیزیکی، مانند نیرو و طول را با وضوح و دقت تعریف کنیم و آنها را با مفاهیم روزمره اشتباه نگیریم. در مثال بالا معانی واژه‌های طول و نیرو هیچ ربطی به تعریف دقیق و علمی این کمیت ندارد. یک کمیت فیزیکی (مانندجرم) را موقعی تعریف شده می‌دانیم که روشها یا دستورالعملهایی برای اندازه‌گیری آن بیان کرده و یکایی (مانند کیلوگرم) به آن نسبت داده باشیم. یعنی، در واقع یک استاندار برای آن تعریف بکنیم. نکته مهم تعریف این کمیت با یک روش مفید و عملی و پذیرفته شدن آن درسطح بین‌المللی است. تعداد کمیتهای فیزیکی آنقدر زیاد است که مرتب کردن آنها خود مسئله‌ اصلی و مشکل است. این کمیتها از هم مستقل نیستند. بعنوان مثال سرعت برابر نسبت طول به زمان است

کاری که باید بکنیم اینست که ا زمیان تمام کمیتهای فیزیکی ممکن چند کمیت مشخص را انتخاب کنیم. و آنها را کمیتهای اصلی نبامیم. بقیه کمیتها را از این کمیتهای اصلی بدست می‌آوریم. آنگاه برای هر یک از این کمیهای اصلی استانداردی در نظر می‌گیریم. بعنوان مثال، اگر طول را کمیت اصلی انتخاب کنیم، متر را بعنوان استاندارد آن در نظر می‌گیریم و آن را با عملیات دقیق آزمایشگاهی تعریف می کنیم.

 1- قانون جاذبه نیوتون

نیرویی که خط عمل آن را یک نقطه منفرد یا مرکز عبور کند نیروی مرکزی گویند. اگر مقدار نیرو فقط بستگی به فاصله از مرکز داشته باشد و تابع جهت نباشد، نیرو را همگن می‌نامند. نیروهای مرکزی از مبانی مهم فیزیک هستند، زیرا نیروهایی از قبیل نیروهای جاذبه‌ای، نیروهای الکترواستاتیکی و غیره در این گروه قرار دارند. نیروهای عکس‌العملی نیز ذرات بنیادی طبیعت، اساساً ازنوع نیروهای مرکزی هستند. در حالتی ه دو ذره وجود داشته باشد، هر ذره بصورت یک مرکز نیرو برای ذره دیگر عمل خواهد کرد.

جاذبه

نیوتون در سال 1666 قانون جاذبه عمومی را بیان کرد. اغراق آمیز نیست اگر بیان این قانون را شروع اخترشناسی جدید بدانیم زیرا قانون جاذبه در مورد حرکت سیارات منظومه شمسی، ماهواره‌های آنها ستارگان مضاعف و دوتایی و حتی سیستم‌‌های ستاره‌ای صادق است این قانون را می‌توان چنین بیان کرد.

«هر ذره در جهان، هر ذره دیگر را با نیرویی جذب می‌کند که با حاصلضرب جرم آن دو ذره نسبت مستقیم با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. این نیرو در امتداد خط راست واصل بین دو ذره است.»

این قانون را از لحاظ برداری می‌توان چنین نوشت :

FijS نیروی وارد شده توسط ذره j به جرم mj بر ذره، به جرم mi است همانطور که در شکل نشان داده شدهاست بردار rij بر روی قطعه خط واصل بین دو ذره و در جهت حرکت از I به j است. قانون عکس العمل ایجاب می‌کند که Fij= Fji باشد، ثابت تناسب G را ثابت جهانی جاذبه می‌نامند. مقدار این ثابت را با انجام آزمایشهای دقیق در آزمایشگاه و اندازه‌گیری نیروی بین دو جسم با جرم‌های مشخص بدست آورده‌اند.[1] مقدار بین‌المللی پذیرفته شده این ثابت در سیستم SI عبارت است از :

G= (6.672± 0.004)× 1011 Nm2kg-2

در حال حاضر تمام دانش ما درباره جرمهای اجسام نجومی (از جمله زمین) بر مبنای مقدار این ثابت بنیادی است:[2]

قانون اول نیوتون درباره حرکت...

سوال؟ ... آیا نخستین باری که قرص یخ خشک یا وسیله تقریب بی‌اصطکاک دیگری می‌دیدید تعجب نکردید؟

آیا بیاد دارید که با کوچکترین تلنگری که به آن می زدید چه طور صاف و یکنواخت سر می خورد؟ چطور بود که هیچ علامتی از کند شدن یا تند شدن نشان نمی داد؟ تجربه روزمره بما می‌گوید که برای آنکه حرکت یک جسم ادامه پیدا کند، پیوسته نیرو لازم است. اما قرص یخ خشک از برآوردن انتظارات ارسطویی سرباز می‌زند، و برخورد با این امر برای نخستین بار همیشه تعجب آور است. با این همه، قرص یخ خشک کاملاً طبیعی عمل می‌کند. اگر نیروهای اصطکاک وجود نمی‌داشتند، یک ضربه آرام موجب می‌شد که میزها و صندلی‌ها نیز همچون قرص یخ خشک از جای خود حرکت کنند وبرکف اتاق سر بخورند. قانون اول نیوتن مستقیماً با اندیشه ارسطویی  درباره «طبیعی» بودن به ستیز برمی‌خیزد این قانون اعلام می‌کند که حالت سکون و حالت بی شتاب حرکت یکنواخت در یک خط مستقیم هر دو بطور برابر طبیعی هستند. فقط وجود بعضی از نیروها مثلاً اصطکاک جسم را از حرکت دائمی باز می‌دارد. قانون اول نیوتن درباره حرکت را می‌توان با اصطلاحهای امروزی بصورت زیربیان کرد: هر جسم به حالت سکون یا در حال حرکت مستقیم الخط یکنواخت باقی می‌ماند مگر آنکه نیروی بی‌توازنی بر آن وارد آید. به عکس اگر جسمی در حالت سکون یا درحال حرکت مستقیم الخط یکنواخت باشد نیروی بی‌توازنی موثر بر آن برابر صفر است. برای آن که حرکت یک جسم را بفهمیم، باید تمام نیروهای موثر بر‌آن را به حساب آوریم. اگر همه نیروها از جمله اصطکاک در حال موازنه باشند جسم با سرعت ثابت V حرکت خواهد کرد. گرچه نیوتون نخستین کسی بود که این اندیشه را بصورت قانون کلی بیان کرد گالیله پنجاه سال پیش از او بینات مشابهی اظهار کرده بود. البته گالیله و نیوتن قرصهای یخ خشک در اختیار نداشتند وبنابرین نمی‌توانسته‌اند حرکتی رامشاهده کرده باشند که اصطکاک در آنها بطور قابل ملاحظه ای کاهش یافته باشد. اما گالیله آزمایشی فکری ابداع کرده بود، که در آن اصطکاک صفر تصور می‌شد.

جای شکل

این آزمایش فکری بر مبنای یک مشاهده واقعی بود هرگاه گلوله آونگی را که به انتهای نخی بسته شده بود عقب بکشیم و آن را از حالت سکون رها کنیم، در طول یک قوس نوسان می‌کند و تقریباً تا همان ارتفاع آغاز حرکت خود بالا می‌رود. در واقع همچنان که گالیله نشان داد گلوله آونگ تقریباً با سطح اولیه بالا می‌رود، حتی اگر با یک گل میخ مسیر آن تغییر داده شود از این مشاهده بود که گالیله آزمایش فکری خود را به وجود آورد. او پیشگویی کرد که هرگاه گلوله‌ای از ارتفاعی بر یک سرازیری بدون اصطکاک رها شود، می‌غلتد و از سربالایی مقابل بالا می‌رود و صرف نظر از طول بهمان ارتفاع می‌رسد مثلاً در نمودار پایین چنانچه سربالایی طرف راست از وضع الف به وضع ب و سپس به وضع پ تغییر کند گلوله در هر مرحله جلوتر می رود تا به ارتفاع اصلی برسد. هر چه زاویه شیب کمتر شود حرکت گلوله به تدریج کندتر می شود. اگر سرازیری دوم چنانچه ذرات، دیده می‌شود کاملاً مسطح شود گلوله هرگز بر این سح بی‌اصطکاک در یک خط مستقیم و با یک سرعت نامتغیر برای همیشه خواهد غلتید این نتیجه‌گیری را با قانون اول نیوتن می‌توان یکی دانست. در واقع بعضی از نویسندگان تاریخ علوم، گالیله را کاشف قانون اول می‌دانند. اما بعضی دیگر عقیده دارند که دراندیشه گالیله "برای همیشه غلتیدن به معنی قرار گرفتن در یک ارتفاع ثابت بالای زمین" بوده است و به معنی «حرکت در یک خط راست در فضا» نبوده است. این گرایش   را که اشیاء به حفظ حالت سکون یا حالت حرکت یکنواخت خود دارند، گاهی "اصل اینرس" می‌نامند.[3]

بهمین سبب گاهی به قانون اول نیوتن قانون اینرسی گفته می‌شود. اینرسی خاصیتی از تمام اشیاست. می‌توان گفت اجسام مادی، در ارتباط با حالت حرکت خود نوعی سرسختی نشان می‌دهند هنگامی که در حال حرکت هستند بدون تغییر تندی (بدون تغییر سرعت و جهت) به حرکت خود ادامه می‌دهند. مگر آنکه مجبور شوند و بر اثر نوعی نیروی خارجی به گونه‌ای دیگر عمل کنندوهنگامیکه در حالت سکون هستند حالت خود را حفظ می‌کنند بهمین سبب است که کمربند ایمنی بهنگام توقف سریع اتومبیل مفید واقع می شود و نیز بهمین سبب است که اتومبیل در یک جاده یخی، سر پیچ نمی‌تواند دور بزند بلکه در مسیری مستقیم‌تر می‌افتد که احتمالاً به مزرعه یا پرچین مزرعه ختم می‌شود و هز چه اینرسی جسمی بیشتر باشد مقاومت آن برای تغییر درحالت حرکتی که دارد بیشتر است. و از این رو نیروی بزرگتری برای ایجاد یک تغیر مطلوب در حالت حرکت آن لازم است.بهمین سبب هم، متوقف کردن آنها دشوار است. هرگاه وسایل نقلیه مذکور ناگهان ترمز کنند، مسافران وباروبه آنان حرکت خود به سمت جلو را حفظ می‌کنند. قانون اول نیوتون بما می‌گوید که اگر ببینیم جسمی با سرعت ثابت در یک خط مستقیم درحرکت است بی‌درنگ می‌فهمیم که نیروهای وارد بر آن باید در حالت توازن باشند یعنی آن جسم در حالت تعادل است. آیا این بدان معنی است که در فیزیک نیوتونی حالت سکون وحالت حرکت یکنواخت هم ارزند؟ در حقیقت همین طور است. وقتیکه می‌گوییم جسمی در حالت تعادل است، فقط می‌دانیم که V ثابت است صفر بودن یا نبودن مقدار این ثابت درهر مورد بستگی به این دارد که کدام جسم را به عنوان مرجع اندازه‌گیری بزرگی V انتخاب کرده باشیم.ما فقط با ارجاع به جسمی دیگر می‌توانیم بگوییم که جسم مورد نظر ما در حالت سکون است یا با تندی v ثابت بزرگتر از صفر در حال حرکت است.

[1] - مکانیک تحلیلی- ویرایش چهارم- گونت ر. فولر- ترجمه: مهندس کاشانی حصار- مهندس ملک زاده

[2] - G در بین ثابتهای اصلی فیزیکی شناخته شده تاکون کمترین دقت را دارد. این ناشی از این حقیقت است که نیرویی جاذبه بین دو جسم در اندازه‌های آزمایشگاهی بی‌نهایت کوچک است.

[3] - طرح فیزیک هارواردا- تألیف رادرفورد- هولتون- واتسون. ترجمه : احمد خواجه نصیر طوسی- هوشنگ شریف زاده