כוחות מכניים

בעולם שלנו כוחות מופיעים בכל התחומים. כדי להניע גוף, צריך להפעיל כוח, אך כדי לעצור את הגוף, שוב צריך להפעיל כוח. אנחנו מפעילים כוחות גם בלי לשים לב. לדוגמה, אדם יושב על הכסא. אם לא היה כסא, הוא היה נופל, כלומר פועל עליו כוח משיכה של כדה"א כלפי מטה. האם על הכסא הכוח המשיכה מפסיק לפעול? הרי כדה"א לא יודע שהאדם יושב על הכסא. כוח המשיכה פועל תמיד!

אז למה אדם לא נופל מהכסא? כי הכסא מפעיל כוח על האדם בכיוון הפוך, ויוצר שווי- משקל. מזל שהכסא לא עשוי מנייר! אחרת האדם היה נופל. כסא מנייר לא מסוגל להחזיר אותו כוח, והאדם היה נופל. נברשת תלויה על החוט. החוט נמתח ומאזן את כוח המשיכה. כך הנברשת לא נופלת. אך אם היא מאד כבדה והחוט לא יכול להחזיק אותה, היא תיפול.

וכאן נכנס לתמונה אייזק ניוטון. הוא היה מתמטיקאי גאון. על עבודתו המצטיינת הוא קיבל תואר אצולה מהמלכה.

בין עבודותיו הרבות הוא פיתח 3 חוקים על כוחות:

חוק ראשון של ניוטון אם הכוחות הפועלים על הגוף מאזנים זה את זה, הגוף נשאר במהירות קבועה ( במקרה פרטי זה מנוחה). במטוס במהירות גבוהה אך קבועה אנחנו לא מרגישים את התנועה. במכונית המאיצה במהירות גבוהה, נדבקים לכסא, כי גוף מנסה לשמור על מצב של מהירות קבועה, זה נקרא התמדה, הגוף מתמיד במצבו.

בואו נצא לדרך. לוחצים על הגז, כוח המנוע מתגבר על החיכוך עם הכביש. לוחצים יותר, מהירות עולה, מגיעים ל- 50km/h, מה שמותר בעיר. אם נלחץ על הגז יותר, המהירות תעלה ונקבל קנס! אם נעזוב את הגז, המהירות תרד והמכונית תעצור. מה לעשות?? מחזיקים רגל על הגז במצב שהיה עם מהירות מותרת, הכוח של המנוע משתווה לכוח החיכוך המתנגד. חוק 1 של ניוטון, יש! כך אפשר לנסוע לנצח או עד הפינה שצריך לפנות. 

חוק שני של ניוטון

החוק השני מטפל בתנועה עם מהירות גדלה או קטנה, כלומר תאוצה. בהתחלת התנועה כוח המנוע צריך להיות גדול מכוח החיכוך והמכונית תנוע קדימה בתאוצה, מהירות גדלה. לפעמים צריכים לעצור. לוחצים על הברקס, החיכוך הפועל אחורה, גדל ומאט את המהירות עד עצירתה. התאוטה מתרחשת כאשר כוח אחורה (בלמים) מתגבר על הכוח קדימה (מנוע). התאוצה או התאוטה תלויות במסת הגוף ובכוח הפועל. כאשר מכונית מאטה באופן פתאומי אנחנו נופלים על החלון, כי ממשיכים לנוע למרות ההאטה של המכונית, מתמידים בתנועה, חוק 1. כאשר הכוחות על הגוף מאוזנים, הגוף ממשיך במהירות קבועה עד נצח. זה מה שקורה לגופים בחלל כאשר הם רחוקים מהכל. הם נעים עד נצח או עד שפוגעים בגוף אחר. שאלה:  שתי מכוניות מרצדס וסיאט עומדות ברמזור אדום. ברגע שהתחלף לירוק, הן מתחילות לנסוע. מרצדס מגיעה ל- 50km/h ב- 2 שניות וסיאט מגיעה ל- 50km/h במשך 5 שניות. למה המרצדס עולה יותר כסף?

חוק שלישי של ניוטון

לכל כוח פעולה יש כוח תגובה השווה לו, מנוגד לו ופועל בכיוון השני. אם זה לא ברור, אפשר קצר ולעניין: אם אתה נותן מכה למישהו, אתה מקבל אותה מכה בחזרה, כואבת לך היד. אפשר להשתמש בחוק 3 נגד אלימות. פוגשים את החוק השלישי של ניוטון בכל מקום. כדי ללכת, אנחנו דוחפים את האדמה או את הרצפה אחורה ואז אנחנו נדחפים קדימה. תנסו ללכת על הקרח או על הבוץ. מחליקים ונופלים, כי אין חיכוך כדי לדחוף קדימה. ראיתם איך אסטרונאוטים יוצאים מכדה"א בענן של גזים? שולחים גזים אחורה, נדחפים קדימה.

עכשיו שאלות:

1. ראיתם פעם סוס מושך עגלה והם מתקדמים בכביש?

איך הם מתקדמים? הרי סוס מושך את העגלה, העגלה מחזירה לו אותו כוח לפי חוק שלישי של ניוטון, הם לא אמורים לזוז.

2. ילד עומד במרכז מגרש קרח עם כדור ביד. הוא רואה את אמא שלו מחוץ למגרש הקרח. איך תמליצו לו להתקדם לאמא?

3. אסטרונאוט בחלל יצא מהחללית, המסתובב על המסלול סביב כדה"א, לתקן משהו. הוא קשור לחללית בחוט כדי לא להתרחק. פתאום החוט נקרע. מה תמליצו לו לעשות כדי לחזור לחללית?

תשובות:

1. הכוחות שסוס מפעיל על העגלה והעגלה מפעילה בחזרה על הסוס, הם שווים ומנוגדים לפי חוק שלישי של ניוטון. לא מתווכחים עם ניוטון! אלה כוחות בין הסוס והעגלה.

אך ישנם כוחות בין הסוס לבין קרקע וכוחות בין גלגלי העגלה לבין הקרקע. הסוס דוחף את האדמה אחורה והאדמה דוחפת את הסוס קדימה. גם גלגלי העגלה דוחפים את הקרקע והקרקע דוחפת את הגלגלים קדימה. שוב חוק שלישי של ניוטון. הרווח הוא בזה שכוח חיכוך של פרסות הסוס גדול בהרבה מכוח החיכוך של הגלגלים, כך שהסוס נדחף קדימה חזק יותר לעומת העגלה והוא מושך את העגלה. אם העגלה עם הסוס יסעו בדרך עם בוץ, כמעט אין סיכוי שהסוס יצליח להזיז את העגלה, כי החיכוך קטן מאד.

2. הילד במגרש הקרח צריך לזרוק כדור לכיוון הפוך מאמא שלו, אז הכדור יגרום לו להחליק בכיוון של אמא. הילד זרק כדור, הכדור זרק את הילד בכיוון הפוך.

3. על אותו העיקרון צריך לפעול גם אסטרונאוט. בתמונה רואים שעל הגב שלו קשורים בלונים עם גז. כדי לנוע בכיוון מסוים, הוא צריך לשלוח גז בכיוון הפוך וזה ידחוף לכיוון הרצוי.