شتاب چیست؟

یکی از مفاهیم مهم فیزیکی که هر دانش‎آموزی لازم است درباره آن بداند، "شتاب" است، که در زیر در مورد آن توضیح داده می‎شود.
اگر شما مطالعات خود را در علم فیزیک گسترش دهید متوجه خواهید شد که قسمت زیادی از این علم به مطالعه "حرکت" اختصاص داده شده است. اینکه چه عاملی باعث حرکت شده است، و تشریح این حرکت به چه صورت است ازجمله مباحثی هستند که در این حوزه مطرح می‎شوند. تمام حرکت‎ها ناشی از یک تغییر انرژی است، که این تغییر انرژی در اثر حضور نیروهای غیرتعادلی در طبیعت بوجود می‎آیند. در مطالعات مربوط به حرکت، یکی از مفاهیم اساسی که لازم است به خوبی فهمیده شود، شتاب شیء است که در اثر یک نیرو ایجاد می‎شود.

تعریف

یکی از راه‎های فهم مفاهیم فیزیکی این است که تا جایی که امکان دارد، آن را با آزمایش و تجربه‎هایی که بطور مکرر با آن مواجه می‎شویم تشریح کنیم. ممکن است شما ندانید که شتاب چیست، اما حتماً آن را تجربه کرده و احساسی راجع به آن دارید. وقتی سرعت خودرویی که در آن سوار هستید زیاد می‎شود، چیزی که شما حس می‎کنید همان شتاب است، که با تغییر در سرعت خودرو ایجاد می‎شود. به بیان علمی‎تر، به نرخ تغییر سرعت در زمان، شتاب گفته می‎شود. سرعت نیز، نرخ تغییر مکان در زمان، در یک جهت مشخص است.
شتاب تنها تغییر سرعت بزرگی و اندازه سرعت در زمان نیست، بلکه نشان‎دهنده تغییر در جهت جابه‎جایی شیء نیز هست. نیرو باعث تغییر سرعت شیء، و درنتیجه باعث ایجاد شتاب می‎شود. واحد شتاب خطی متر بر مربع ثانیه است.

فرمول:

شتاب (a) = نیرو (F) بخش بر جرم (m)

شتاب زاویه‎ای:

شتابی که در جسم ایجاد می‎شود همیشه خطی نیست. چیزی که جسم هنگام گردش حول یک مرکز احساس می‎کند همان شتاب زاویه‎ای است. در فیزیک این مفهوم بصورت نرخ تغییر سرعت زاویه‎ای جسم در زمان تعریف می‎شود. همچنین فرمول شتاب زاویه‎ای بصورت زیر است:
τ/I =dω/dt = (a) شتاب زاویه‎ای
که در آن ω سرعت زاویه‎ای، τ گشتاور یا همان نیروی دورانی اعمال شده بر روی جسم، و I ممان اینرسی است.

شتاب مرکزگرا یا جانب به مرکز:

وقتی شما جسمی را به نخی بسته و آن را بصورت دایروی می‎چرخانید، جسم نیرویی که جهت آن به سمت مرکز است را احساس می‎کند. همچنین شتابی به جسم وارد می‎شود که جهت آن به سمت مرکز این دایره می‎باشد. فرمول شتاب بصورت زیر است:
v2/r = (a) شتاب مرکزگرا
که در آن v سرعت خطی یا مماسی جسم در حال چرخش، و r فاصله جسم تا مرکز دایره دوران است.

شتاب در اثر گرانش:

اگرچه درحال حاضر گرانش بعنوان انحنای فضا زمان ناشی از وجود جرم شناخته می‎شود، می‎توان آن را بصورت تقریبی با قانون گرانش نیوتن نیز بیان کرد. نیروی گرانشی که به یک جسم وارد می‎شود آن را شتاب می‎دهد. قانون گرانش نیوتن بصورت زیر بیان می‎شود:
شتاب ناشی از گرانش (g) × جرم (m) = F
از آنجاییکه زمین یک کره کامل نیست، وزن یک جسم در نقاط مختلف روی سطح کره زمین یکسان نیست. مقدار شتابی که طبق رابطه بالا در اثر گرانش زمین به اجسام وارد می‎شود، از خط استوا تا قطبهای کره زمین متفاوت است. به دلیل اینکه زمین مانند یک شبه‎کره پخ‎شده است، اندازه شتاب گرانش در قطبها بیشینه بوده و در خط استوا به کمترین حد خود می‎رسد. مقدار متوسط این شتاب برابر با m/s2 80665ر9 می‎باشد.