۱ - کشش و فشار: نیرو چیه؟

خیلی ساده اگه بگم، یه نیرو، یا کششه یا فشار. ماهیچه ها استخوان هارو میکشن تا حرکتشون رو تحت تاثیر قرار بدن. میتونین یه دستگیره رو بکشین تا یه چمدون رو بلند کنین. واسه راه رفتن، ماهیچه هاتون، استخوان های پاتون رو میکشن و بخش های متحرک پا، یه فشار رو به زمین وارد میکنن. تو فوتبال، وقتی پاتون به سمت توپ میره، به توپ یه فشار وارد میشه. وقتی به یه نفر تو خیابون تنه میزنید، تنه زدن، به هردوتون فشار وارد میکنه.

با اینکه میتونین تو چهره یه وزنه باردار ببینین که داره نیروی زیادی رو وارد میکنه، اما در واقع نیروها قابل دیدن نیستن. یه نیرو با تغییراتی که تو حرکت بدن ایجاد میکنه (یا نمیکنه)، قابل استنباطه. منظور از بدن تو بایومکانیک، جسمی هست که مورد آنالیز قرار میگیره و نه الزاما بدن انسان. بعضی وقتا این تاثیر مشهود نیست تا زمانی که ابزار های حساس استفاده بشه. اما فقط چون شما نیرو رو نمیبینید، دلیل نمیشه که وجود نداشته باشه.

هر نیرو این ویژگی هارو داره:

قدر: اندازه، کشش یا فشار چقدر قوی هستن

جهت: نیرو به کدوم سمت داره میکشه یا فشار میده

نقطه تاثیر: کجا نیرو داره روی بدن اعمال میشه

خط تاثیر: یه امتداد خیالی نیرو در هر دو جهت، که واسه مشخص کردن تاثیر چرخشی نیرو مهمه

نیرو یه مقدار برداریه که هم قدر داره و هم جهت. برای توضیح نیرو، باید هر دو رو مشخص کنین. چون یه برداره، اونو با یه فلش مشخص میکنن. طول فلش نشون دهنده قدر نیرو هست که هر چی بلندتر باشه، یعنی نیرو بیشتره. نوک فلش، جهت نیرو رو نشون میده. معمولا یه سیستم مرجع دکارتی برای نشون دادن جهت بردار استفاده میشه که محورy تو جهت عمودی و محور x تو افقه. جهت مثبت به سمت بالا یا راست هستن و منفی ها به سمت پایین و چپ.

شکل ۱-۴ چندتا نمونه از نیرو رو رو سیستم مرجع نشون میده. نیروها به صورت F₁ تا F₈ مشخص شدن. یادتون باشه که مقدار بعضی نیرو ها یکیه اما جهتشون فرق میکنه (۱ و ۲). جهت بعضی هاشون یکیه اما مقدارشون فرق داره (۳ و ۴) و بعضی هاشون هم جهتشون و هم مقدارشون فرق میکنه (۵ و ۶).

نیرو رو تو سیستم جهانی واحد ها (SI) با نیوتون با تو سیستم انگلیسی با پاوند اندازه میگیرن. یه نیوتون نیرو معادل ۴/۴۵ پاوند نیرو هست.  پس اگه وزن شما ۱۰۰ پاوند باشه میشه ۴۴۵ نیوتون. ارزش نیوتون و پاوند نشون دهنده اندازه یا قدر یه نیرو هست. یه نیوتون نیرو به صورت نیرویی که برای شتاب دادن به ۱ کیلوگرم جرم با سرعت ۱ متر بر ثانیه (m/s/s) استفاده میشه یا به صورت ریاضی  N = 1 kg · 1 m/s/s حساب میشه. این از فومول F = ma نیوتون میاد که تو فصل ۶ بهش میپردازیم. 

شکل ۱-۴: استفاده از فلش برای نشون دادن نیرو، روی یه سیستم مختصاتی استاندارد

یه فشار ۳۰ نیوتونی به راست به صورت 30N+ در جهت افقی توضیح داده میشه و یه فشار ۳۰ نیوتونی به چاپ، به صورت 30N- در جهت افقی. همینطور، فشار ۲۰۰ نیوتونی به سمت بالا به صورت 200N+ در جهت عمودی و ۲۰۰ نیوتون به سمت پایین به صورت 200N- در جهت عمودی نوشته میشه.
وقتی یه نیرو در یه جهتی اعمال میشه، زاویه اعمال شدن به نسبت محور افقی گفته میشه با حرف یونانی θ یا تتا نوشته میشه. شکل ۱-۴ نشون میده که نیرو های F₇ وF₈ در زاویه اعمال شدن.
مشخص کردن قدر و جهت یه نیرو به شما اجازه میده تا نیرو رو با بردار (فلش) نشون بدید.
قدر و جهت تو ویژگی حیاتی نیرتو هستن، ولی دو ویژگی دیگه، نقطه تاثیر و خط تاثیر هم مهم هستن.
نقطه تاثیر نشون میده که نیرو به کجای بدن اعمال میشه. با کشیدن نیرو که داره بدن رو در یه نقطه لمس میکنه، نشون داده میشه. مثلا انتهای فلش میتونه رو به اون نقطه باشه.این نقطه، ساده کردن نیروی عاملی به بدنه. مثلا، وقتی می ایستید، نیروی زمین به که به سمت شما ست، به کف پاهاتون، جایی که پاهاتون با زمین برخورد داره، وارد میشه. اما میتونین یه بردار زیر هر پا بکشید که نشون بده، نیرو داره به هر دو پا وارد میشه.
خط تاثیر یه نیرو نشون میده که نیرو چجوری روی حرکت زاویه ای تاثیر میزاره (یا تاثیر بپذیره).تاثیر چرخشی یه نیرو رو دگرگون میکنه و بیشتر تو فصل ۸ توضیح داده شده. این خط رو با امتداد دادن بردار نیرو در هر دو جهت مشخص میکنن. یه راه برای قاطی نکردن این خط با نیرو، امتداد دادنش تو هر دو جهته اما قسمت نقطه چین، نشون دهنده قدر بردار نیست. (شکل ۲-۴).

شکل ۲-۴: بردار های نیرو به همراه خط تاثیر نیرو ها که با خط بریده بریده مشخص شدن.

خط تاثیر نیرو مثل جهت نیرو نیست. هر دوشون مهمان، اما به دلایل مختلف.
برای توضیح نیرو، باید دست کم قدر و جهتش رو بدونین. برای توضیح کامل نیرویی که رو بدن عمل میکنه و برای فهم تاثیری که رو بدن میزاره، باید قدر، جهت، نقطه تاثیر، و خط تاثیر رو مشخص کنید. شکل ۳-۴ تا ۳-۵ چنتا مثال رو که نشون میدن ویژگی های نیرو موقع عمل رو بدن چیا هستن و ذکر کرده.

شکل ۳-۴: یه دونده با نیرویی که از زمین بر او اعمال میشه.

شکل ۴-۴: قسمت پایین پا با نیروی ماهیچه و نیروی استخوان که در زانو اعمال میشن.

شکل ۵-۴: یه توپ روی زمین که نیروی پای شوت کننده، زمین، و وزن خودش رو داره نشون میده