آیا یک نیروی عادی بر جسمی که از سقف آویزان است وارد میشه

[rohamavation]

من امروز تو انباری یک مارمولک را روی سقف مشاهده کردم و شروع به تعجب کردم که چگونه توانسته در جای خود بمونه. کمی جستجو نشون داد که جادو در واقع نیروهای واندروالس است نه یک ضریب غیرعادی بالای اصطکاک ایستا یا چیزی مشابه.آره دوست یک موضوع عادیه که یه نیرو بتونه به یه چیزی که از سقف آویزونه وارد بشه. این نیرو می‌تونه مستقیما به جسم برسه یا از طریق واسطه‌هایی که به سقف متصل شده به جسم منتقل بشه. ولی اینکه این نیرو باعث جابه‌جایی یا تغییر شکل جسم بشه بستگی به قدرت و مقاومت جسم داره به خصوص اگه جسم حرکت داشته باشه و نیرو بیشتری از مقاومتش بیاد.
آره داداش یه موضوع معمولیه که یه نیرو بتونه به یه چیزی که از سقف آویزونه وارد بشه. این نیرو می‌تونه مستقیما به جسم برسه یا از طریق واسطه‌هایی که به سقف متصل شده به جسم منتقل بشه. ولی اینکه این نیرو باعث جابه‌جایی یا تغییر شکل جسم بشه بستگی به قدرت و مقاومت جسم داره به خصوص اگه جسم حرکت داشته باشه و نیروی وارده بیشتر از مقاومتش بیاد.
فرض کنید یه کتاب رو روی میزی قرار دادید. حالا اگه اون کتاب رو به سمت پایین فشار بدید اون جابه‌جا میشه درسته؟ این فشاری که شما بهش وارد می‌کنید نیروی نرماله که از سطح میز به کتاب اعمال میشه. این نیروی نرمال داره به کتاب مقاومت می‌کنه و از این جلوگیری می‌کنه که کتاب به پایین بیفته.
حالا فرض کنید که می‌خواهید یه تخته‌ای روی دیوار نصب کنید و یه عکس بزرگ روش قرار بدید. وقتی تخته رو به دیوار بچسبونید چه اتفاقی می‌افته؟ تخته روی دیوار می‌مونه درسته؟ اینجا هم نیروی نرمال داره که از سطح دیوار به تخته اعمال میشه. این نیروی نرمال باعث میشه تخته روی دیوار مونده و به پایین نمی‌افته.
این دو مثال نشون می‌ده که نیروی نرمال چقدر مهمه و چطور باعث میشه که اشیاء در جای خود بمونن.
ببین من سعی کردم یه نمودار ذهنی از یه مارمولک که روی سقف استراحت می‌کنه بکشم. یک فلش رو به پایین که نشون دهنده نیروی گرانشه و یک فلش رو به بالا برای نیروی واندروالس کشیدم. وقتی داشتم این کار رو انجام می‌دادم یه سوال توی ذهنم ایجاد شد: آیا این درسته؟ آیا نیروی واندروالسی که به سمت بالا عمل می‌کنه با نیروی گرانشی که به سمت پایین عمل می‌کنه برابره؟
همیشه ما وقتی یه جسمی رو روی سطحی که روش قرار داره اعمال می‌کنیم یه نیروی نرمال به سمت بالای جسم اعمال می‌کنیم. به ما گفته شده که این نشون دهنده نیروییه که سطح به سمت بالا برای مقابله با گرانش عمل می‌کنه. با انجام این کار می‌تونیم مقدار نیروی ناشناخته‌ای که در حال مقابله با گرانش عمل می‌کنه رو با داشتن گرانش معمولی محاسبه کنیم.
اما در مورد مارمولک من نیروی ناشناخته‌ای داره که برخلاف جهت گرانش عمل می‌کنه. آیا اینجا هم یه نیروی عادی در حال بازیه؟ یا نیروی واندروالسی جای اون رو می‌گیره؟
اولاً نیروی "عادی" نیروی تماسیه که با فشار دادن دو سطح به یکدیگر مخالفه. این نیرو توسط گرانش ایجاد نمی‌شه ولی می‌تونه به گرانش پاسخ بده (مثلا وقتی یه جسم روی یه میزه). این نیرو توسط نیروهای دافعه بین مولکولی ایجاد می‌شه.
دوماً نیروی واندروالس یه نیروی جاذبه است. این تنها نیروی رو به بالا در اینجاست که مارمولک رو به سمت سقف می‌کشه.
اما آیا این به این معنیه که بالشتک‌های روی پای مارمولک به اندازه کافی کنترل می‌شن تا نیروی واندروالس دقیقاً وزن مارمولک رو متعادل کنه؟ به عبارتی اگه مارمولک یه صبحانه بزرگ‌تر از حد معمول بخوره آیا بالشتک‌ها به نوعی نیروی واندروالسی قوی‌تری اعمال می‌کنن؟ من قطعاً مطمئن نیستم که این اتفاق می‌افته.
حتی اگه مارمولک بتونه نیروی واندروالس رو کنترل کنه نمی‌دونم که بتونه دقیقاً اون کار رو انجام بده. به نظر من احتمال بیشتریه که نیروی جاذبه واندروالس همیشه کمی بیشتر از گرانش باشه و مارمولک رو به سمت سقف بکشه. بعد نیروه
ما مواجه با یه وضعیت داریم که علاوه بر وزن مارمولک (که به سمت پایینه) و نیروی گرانش واندروالس از بالا (که به سمت بالاست) به نظر من یه نیروی تماس کوچیک بیشتر هست از سقف که به سمت پایین عمل می‌کنه. من به این نظر مخالفم که این نیروی اضافی که از سقف بر مارمولک عمل می‌کنه
تا حدودی ممکنه این موضوع مربوط به معناشناسی باشه - یعنی آیا "نیروی واندروالس" مخلوطی از دافعه بین مولکولیه یا نه. طبیعت یک نیرو رو از نیروهای دیگه متمایز نمی‌کنه فقط ما این کار رو برای راحتی خودمون انجام می‌دیم. بر این اساس من فکر می‌کنم که مسئله در تفکیک و طبقه‌بندی نیروهاست. به همین خاطر نیروی VdW تو این حالت یه نیروی معمولیه. طبیعی بودن یه کتاب به دلیل میزیه که زیرشه به دلیل فشردگی ایلاستیک اتصالات شیمیایی در سطح میزه. "نرمال" اشاره به جهت نیرو داره نه به ماهیت خود نیرو. به همین شکل "مرکز" به نیرویی اشاره می‌کنه که ممکنه عاملش گرانش یا کشش تو یه رشته باشه...
وقتی یه جسم بالای یه صفحه‌ای قرار می‌گیره نیرویی به سمت پایین رو به صفحه اعمال می‌شه (پس در این حالت به سمت داخل هواپیما هست). "نیروی ناشناخته" با داشتن گرانش متقابل معمولی نیروی واکنش صفحه رو به بیرون (در امتداد نرمال به صفحه) تشکیل می‌ده. این اساساً قانون عمل و واکنش (قانون سوم نیوتن) هست.
این قانون البته در مورد چیزهایی که به سطح چسبیده هم صدق می‌کنه فقط جهت نیروها معکوس می‌شه: از طریق نیروهای چسبندگی (نیروهای واندروالس) جسم باید نیرویی رو به پایین اعمال کنه تا وزن خودش رو برای هواپیما اعمال کنه. (اگه اینطور نباشه - به این معنیه که نیروی چسبندگی و نیروی واکنش هواپیما کمتر از وزن باشه - مارمولک به پایین می‌افته.) بنابراین نیروی واکنشی صفحه

[rohamavation]

تفاوت اصلی بین نیروی واندروالس و نیروی نرمال به این صورته:
منشأ و عملکرد:
نیروی واندروالس: این نیرو ناشی از تعاملات مولکولی بین مولکول‌هاست. تعاملاتی که از فاصلهٔ نسبتاً دور بین مولکول‌ها اتفاق می‌افته و مولکول‌ها رو دور از هم می‌کنه.
نیروی نرمال: این نیرو از فشار تماسی بین دو سطح ناشی می‌شه. وقتی دو سطح با هم تماس دارن و یکدیگر رو فشار می‌دن این نیرو پدیدار میشه.
محدوده اثر:
نیروی واندروالس: معمولاً برای مواد گازی مایع و جامدات نیمه‌موقت اهمیت داره و در فواصل بین مولکول‌ها اثر می‌کنه.
نیروی نرمال: این نیرو بیشتر در مواردی که دو سطح به یکدیگر فشار می‌آورند و در مواد جامد و مایع بازیگر است.
مدل توضیحی:
نیروی واندروالس: با مدل‌های مبتنی بر تعاملات مولکولی و نظریه‌های مکانیک آماری توضیح داده می‌شه.
نیروی نرمال: اغلب با قوانین نیوتن در مورد فشار و تماس بین دو سطح توضیح داده میشه تفاوت اصلی بین نیروی نرمال و نیروی واندروالس در مثال مارمولک به این صورته:
نیروی نرمال:
توی این مثال نیروی نرمال وقتی عمل می‌کنه که مارمولک به سقف چسبیده و به عنوان واکنش به گرانش جلویی رو بگیره و از این که مارمولک به پایین بره جلوگیری کنه. این نیرو از فشار تماسی بین مارمولک و سقف به وجود میاد.
نیروی واندروالس:
این نیرو مختص به تأثیر مولکول به مولکولهاست. این می‌تونه در فواصل کم بین مولکول‌های سطح مارمولک و سطح سقف مؤثر باشه و از چسبیدن مارمولک به سقف جلوگیری کنه اما نقش اصلی اون در این مثال محاسبه نمیشه. فرض کنید یه گوی چوبی به سقف اتاق متصل شده. حالا تو این شرایط:
نیروی نرمال:
این نیرو به سمت بالا اعمال میشه چون می‌خواد از اینکه گوی به پایین بیفته جلوگیری کنه. این نیرو از فشار تماسی بین گوی و سقف بوجود میاد.
نیروی واندروالس:
تو این شرایط نیروی واندروالس هم نقشی داره. این نیرو از تأثیر مولکول به مولکولها توی سطح گوی و سقف بوجود میاد. این نیرو می‌تونه کمک کنه گوی به سقف متصل بمونه و از حرکت غیرمطلوب جلوگیری کنه اما نسبت به نیروی نرمال اهمیت کمتری داره.
تفاوت نیروی نرمال با نیروی واندروالس در فیزیک به این صورته:
نیروی نرمال (N):
نیروی نرمال از تماس مستقیم جسم با سطح ناشی می‌شه.
این نیرو عموماً عمود بر سطح عمل می‌کنه و از جلوگیری از فرو رفتن یا حرکت جسم در سطح کمک می‌کنه.
فرمول نیروی نرمال به این شکله:
N=mgcos(θ)
.نیروی واندروالس (F_vdW):
این نیرو از تأثیرات مولکول به مولکول در مواجهه دو سطح ناشی می‌شه.
نیروی واندروالس به عنوان یک نیروی پیرامونی و دافعه میان مولکولی توصیف می‌شه.
فرمول دقیق برای نیروی واندروالس پیچیده‌تره و بسته به شرایط مختلف متفاوته اما یکی از روش‌های ساده‌تر برای محاسبه‌ش به صورت نماییه و به این شکله:
$F_{vdW} = -\frac{A}{d^6} $
A ثابت واندروالس و d فاصله بین دو سطحه.
در مسائل فیزیکی نیروی نرمال عموماً جهتی عمود بر سطح داره و از جلوگیری از فرو رفتن یا حرکت جسم در سطح کمک می‌کنه در حالی که نیروی واندروالس در موارد خاصی از تماس مولکولی و سطوح نقش مهمی داره مانند در بررسی ویژگی‌های جذب و ترکیب مواد.رابطهٔ میان نیروی نرمال (نرمالF نرمال ) و نیروی واندروالس (واندروالسF واندروالس ) ممکن است به صورت زیر باشه:
=k×F واندروالس در اینجا k یک ضریب متغیر است که به خصوصیات مواد و شرایط محیطی بستگی دارد.بیا ببینیم فرض کن که یه جعبه روی زمین قرار داره. وزن این جعبه به اندازه ۱۰۰ نیوتنه. حالا فرض کن که تو یه محیط معمولی با فشار جوی متناسب هستیم و نیروی واندروالس از این رو برابر با ۲۰ نیوتنه.
حالا می‌خوای بفهمی چقدر نیروی نرمال توسط سطح زمین بر روی جعبه اعمال می‌شه. برای این کار از رابطه‌ی
نرمال =k×F واندروالس استفاده می‌کنم.اگه k یه عددی باشه که نشون بده چقدر تأثیر سطح زمین روی جعبه هست می‌تونیم اونو یه مقدار ثابت در نظر بگیرم.
با فرض اینکه واندروالس=۲۰نیوتنF واندروالس =۲۰نیوتن و می‌خواهیم نرمالF نرمال رو محاسبه کنیم با فرض اینکه =۱k=۱ می‌تونیم بگیم که نرمالF نرمال برابر با ۲۰ نیوتن هست.
پس نیروی نرمال که توسط سطح زمین بر روی جعبه اعمال می‌شه ۲۰ نیوتنه.