چهار نیروی حاکم بر جهان

تمام نیروهای طبیعت را می توان به چهار نوع تقسیم بندی کرد. نیروی جاذبه که جهان بزرگ را کنار هم نگه می دارد و البته جو، آب و خود ما را چسبیده به سیاره زمین حفظ می کند. نیروی الکترومغناطیسی بر پدیده های در سطح اتم حاکم است. این نیرو الکترون ها را به اتم ها و اتم ها را به یکدیگر متصل می کند تا مولکول ها و ترکیبات را تشکیل دهند. نیروی سوم نیروی هسته ای قوی است که هسته را با هم نگه می دارد. نیروی چهارم، نیروی هسته ای ضعیف است که مسئول انواع خاصی از واکنش های هسته ای است.

نیروی گرانش یا جاذبه و نیروی الکترومغناطیسی دو نیرویی هستند که در سطح ماکروسکوپی سیستم های محیطی عمل می کنند. این دو نیرو در حال حاضر اساس رایج ترین منابع ما برای فناوری های مربوط به انرژی هستند. نیروی هسته ای قوی، قوی ترین نیرو است. واکنش های همجوشی هسته ای در سطح خورشید، نتیجه نیروی هسته ای قوی است.

به این ترتیب چهار نیروی شناخته شده جهان عبارتند از:

1.نیروی جاذبه – این نیرو بین همه جرم های موجود در عالم عمل می کند و محدوده عملش بی نهایت است.

2. نیروی الکترومغناطیسی – این نیرو بین ذرات باردار الکتریکی عمل می کند. برق، خاصیت مغناطیسی (آهن ربایی) و نور همه به وسیله این نیرو تولید می شوند. این نیرو هم محدوده عملش بی نهایت است.

3. نیروی قوی – این نیرو نوترون ها و پروتون ها را در هسته اتم ها به هم متصل می کند و یک نیروی کوتاه برد (با دامنه عمل کوچک) است.

4. نیروی ضعیف – این نیرو باعث واپاشی بتا (تبدیل یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک آنتی نوترون) می شود و ذرات مختلف (آنهایی که «شگفتند») می شود. ذرات شگفت به وسیله فعل و انفعالات قوی تشکیل می شوند اما به وسیله فعل و انفعالات ضعیف دچار واپاشی می شوند (این همان چیز عجیبی است که در مورد شگفت ها وجود دارد). نیروی ضعیف هم مثل نیروی قوی با برد کوتاه است.

هر نیرویی که ما تجربه می کنیم به یکی از این چهار دسته تعلق دارد حتی موقعی که فهم ارتباطات و اتصالات به این نیروها سخت باشد. برای مثال نیروی اصطکاک، یک نیروی الکترومغناطیسی است. نیروی انفجار یک ماده منفجره شیمیایی هم در اصل نیروی الکترومغناطیسی است. انرژی یک بمب اتمی (به عبارت صحیح تر، یک بمب هسته ای) در نتیجه عمل نیروهای هسته ای قوی آزاد می شوند.

تغییرات انرژی زمانی رخ می دهد که به خاطر این نیروها موقعیت ماده یا وضعیت ماده تغییر کند. آن چه که ما آن را تولید انرژی می نامیم در واقع تبدیل انرژی است. یعنی انرژی از یک شکل بالقوه به یک شکل در دسترس برای استفاده ما تبدیل می شود.

هر نوعی از نیرو بر یک ویژگی خاص یک شیء عمل می کند. ویژگی خاص به وضعیتی در یک شیء اشاره دارد که برای آن شیء لازم است تا تحت تأثیر نیرو قرار بگیرد –یا نیرو را «احساس» کند. به عنوان مثال، گرانش بر روی جرم یک جسم عمل می کند. هنگامی که یک شیء به سوی زمین سقوط می کند، زمین هم به سوی جسم در حال سقوط است. به خاطر تفاوت جرم است که اثر کلی زمین بر روی جسم خیلی بیشتر از اثر جسم بر روی زمین است. با این حال، نیروی گرانشی هر کیلوگرم از زمین معادل نیروی گرانشی هر کیلوگرم در هر جسم دیگری است.

در مورد نیروی الکترومغناطیسی، شیء باید یک بار الکتریکی داشته باشد. اما اگر آن شیء هیچ بار الکتریکی خالصی نداشته باشد، یک منبع خارجی نیروی الکترومغناطیسی نمی تواند نیرویی برآن شیء اعمال کند. فضایی که یک نیرو در آن احساس می شود حوزه یا میدان آن نیرو نامیده می شود. بنابراین تمام اشیای روی زمین در میدان نیروی جاذبه زمین هستند، سیاره ها و ماه ها هم در میدان نیروی جاذبه خورشید هستند همان طور که در حوزه نیروی جاذبه متقابل بین خود نیز قرار دارند.

انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی
وقتی می گوییم در حال تولید انرژی هستیم، درواقع منظورمان این است که در حال تبدیل انرژی از یک شکل به شکل دیگری که قابل استفاده تر است هستیم. به عنوان مثال، آب بالای یک آبشار انرژی پتانسیل گرانشی بیشتری نسبت به آبی که در پایین آبشار است دارد. چرا که آبی که در بالای آبشار است در مقایسه با آبی که در کف آبشار است از مرکز زمین دورتر است. بنابراین، اگر آب بتواند از بالای ابشار به پایین آن سقوط کند انرژی ای که به صورت انرژی پتانسیل در بالای آبشار ذخیره شده به انرژی جنبشی این آب تغییر شکل می دهد و ما می توانیم از این آب برای انجام کاری بهره ببریم. این اصلی است که در پشت تولید انرژی برق آبی قرار دارد.

نیرو	ویژگی مربوط	مثال ها
نیروی جاذبه	جرم	وزن یک شیء در نزدیکی یک سیاره: نیرویی که سیارات را در مدارشان به دور خورشید نگه می دارد.
نیروی الکترومغناطیسی	بار الکتریکی	نیرویی که یک الکترون را در مدارش به دور هسته اتم نگه می دارد. جاذبه یا دافعه بین یک شانه پلاستیکی و یک رشته مو.
نیروی هسته ای قوی	چرخش ایزوتوپی ذراتی که به طور مساوی تحت تأثیر نیروی قوی قرار می گیرند اما بارهای مختلف دارند	نیرویی که پروتون ها و نوترون ها را داخل یک هسته در کنار یکدیگر نگه می دارد
نیروی هسته ای ضعیف	چرخش (ذراتی که چرخش دارند)	نیروی مسئول برای نوع مشخصی از واکنش های هسته ای