با استفاده از یک توپ یا بادکنک معلق در خودرو لختی (اینرسی) اجسام را مشاهده کنید.
مشاهدهٔ شمارهٔ ۱۱۳
مفاهیم کلیدی:
غوطه‌وری، نیروی جاذبه، حرکت شتابی، اینرسی، دانسیته
مقدمه:
آیا تا به حال دقت کرده اید که اجسام سبک در یک اتومبیل درحال افزایش یا کاهش سرعت، از موقعیت خود منحرف می‌شوند و به اطراف حرکت می‌کنند؟ حالا یک بادکنک هلیومی را در نظر بگیرید که در داخل یک اتومبیل معلق است و حرکت می‌کند. تمام پنجره های اتومبیل بسته هستند و سیستم تهویه‌ی اتومبیل نیز خاموش است. اگر ماشین در این شرایط شتاب بگیرد، فکر می‌کنید موقعیت بادکنک در داخل اتومبیل تغییر خواهد کرد؟ این فعالیت علمی را داخل اتومبیل شخصی و یا در یک وسیله‌ی نقلیه‌ی عمومی انجام دهید تا متوجه شوید که دینامیک سیالات چطور باعث می‌شود اجسامی مانند بادکنک از خود حرکات و رفتار غیرقابل پیش‌بینی نشان دهند.
پیش‌زمینه:
همه‌ی ما پرتاب شدن به جلو را در داخل اتومبیلی که ناگهان سرعت خود را کاهش می‌دهد تجربه کرده‌ایم. همچنین زمانی که وسیله‌ی نقلیه شتاب می‌گیرد و با سرعت به سمت جلو حرکت می‌کند، حس می‌کنیم که در خلاف جهت حرکت اتومبیل و به سمت صندلی به عقب کشیده می‌شویم. و یا زمانی که ماشین به طور ناگهانی تغییر مسیر می‌دهد و به چپ یا به راست می‌پیچد، بدن ما در خلاف جهت چرخش اتومبیل کشیده می‌شود. این نیروها از کجا می‌آیند؟ حقیقت این است که این‌ها نیرو نیستند بلکه اثرات جانبی خاصیت اینرسی (سکون) بدن ما هستند. اینرسی به معنای تمایل یک ماده به مقاومت در برابر ایجاد تغییر در نحوه‌ی حرکت و موقعیت آن جسم است. یک جسم در یک نقطه ساکن است و یا در یک خط مستقیم حرکت می-کند و مادامیکه نیرویی خارجی برای تغییر این وضعیت به آن وارد نشود، جسم در همین حالت باقی خواهد ماند و در صورت اعمال نیروی خارجی برای تغییر در موقعیت و نحوه‌ی حرکت، جسم با آن نیروی خارجی مقاومت می‌کند. هرچه جرم جسم بیشتر باشد و به معنای دیگر سنگین‌تر باشد، مقاومت بیشتری در مقابل نیروی خارجی اعمال شده به آن (مانند نیروی کاهنده یا افزایش دهنده‌ی سرعت) نشان می‌دهد.
 |
به‌عنوان مثال، یک راننده داخل یک اتومبیل را در نظر بگیرید که از صفر سرعت اتومبیل را به سرعت ثابت 30 کیلومتر بر ساعت می‌رساند. در طول این افزایش سرعت، صندلی و اتومبیل سعی دارند بدن راننده را با خود به جلو ببرند، اما بدن وی تمایل دارد در حالت قبلی خود که حالت ساکن بود باقی بماند. در نتیجه‌ی این مقاومت، راننده حس می‌کند که بدن او به سمت صندلی و به عقب فشار داده می‌شود. این حسی که راننده دارد، درواقع اینرسی بدن وی است که با نیروی جلو برنده‌ی اتومبیل مقابله می‌کند و نیروی جلو برنده‌ی اتومبیل باید بر این اینرسی غلبه کند.
این توضیحات باید تا حدودی مفهوم اینرسی را برای شما قابل درک کرده باشد. نکته‌ی جالب در فعالیتی که انجام خواهید داد این است که نتایجی از آزمایش‌های خود به دست خواهید آورد که برخلاف این توضیحات است! (برای راهنمایی، به این نکته دقت کنید که بادکنک هلیومی سبک‌تر از هوای اطراف آن است.)
مواد و وسایل مورد نیاز:
- یک بادکنک هلیومی
- یک توپ گلف یا هر جسم کوچک دیگر که بعنوان وزنه از آن استفاده کنید.
- دو تکه نخ خیاطی، نخ دندان و یا نخ ماهیگیری هرکدام به طول تقریبی 1 متر
- نوار یا قیطان
- اتومبیل شخصی، اتوبوس و یا مترو
- اگر از اتومبیل شخصی استفاده می‌کنید، نیاز به یک راننده دارید و اگر قصد دارید از وسایل نقلیه عمومی استفاده کنید حتماً به همراه یک بزرگتر این فعالیت را انجام دهید.
- اگر از اتومبیل شخصی استفاده می‌کنید، این فعالیت را در خیابانی خلوت و بدون ترافیک انجام دهید.
روش کار:
اگر از اتومبیل شخصی استفاده می‌کنید:
دقت کنید که سیستم تهویه‌ی اتومبیل خاموش باشد و تمام پنجره‌ها بسته باشند. در غیر این صورت، جریان‌های کوچک هوا نیز می‌توانند در نتیجه‌ی آزمایش شما اختلال ایجاد کنند.
تا جای ممکن فضای داخل اتومبیل را خالی کنید تا برای حرکت آزادانه‌ی اجسامی مثل بادکنک فضای کافی وجود داشته باشد.
در ابتدا، می‌خواهیم آزمایش را روی یک وزنه‌ی آویزان انجام دهیم. انتهای یکی از نخ ها را به یک توپ گلف یا هر شیء کوچک دیگر که آماده کرده‌اید ببندید.
انتهای دیگر نخ را به سقف اتومبیل بچسبانید به طوری که توپ گلف یا وزنه‌تان بتواند آزادانه به اطراف حرکت کند و به راننده برخورد نکند. در ضمن قبل از چسباندن نخ به سقف اتومیبل از صاحب آن برای این کار اجازه بگیرید!
قبل از شروع آزمایش کمربند ایمنی خود را ببندید.
شما بعنوان مسئول آزمایش وظیفه دارید تمام حرکات وزنه را بررسی کنید. وظیفه‌ی راننده نیز فقط رانندگی و دقت به مسیر است.
از راننده بخواهید شما را به یک محله‌ی آرام با ترافیک کم ببرد.
وزنه را در جای خود ثابت کنید تا به اطراف تاب نخورد.
از راننده بخواهید تا سرعت اتومبیل را زیاد کند و آن را به یک سرعت ثابت برساند. برای وزنه چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا همان چیزی که انتظارش را داشتید اتفاق افتاد؟ چرا؟
حالا از راننده بخواهید که سرعت اتومبیل را کم کند و بایستد. موقعیت وزنه با کاهش سرعت اتومبیل چطور تغییر می‌کند؟ وزنه طبق پیش‌بینی‌های شما حرکت می‌کند؟ چرا؟
حالا باید آزمایش را روی بادکنک هلیومی انجام دهید. وزنه‌ای را که به سقف اتومبیل آویزان کرده بودید جدا کنید. یک نخ بردارید و یک سر آن را به بادکنک ببندید. سر دیگر نخ را نیز به کف اتومبیل بچسبانید. (برای این کار نیز ابتدا از راننده اجازه بگیرید.)
اگر طول نخ زیاد است و بادکنک به سقف اتومبیل برخورد می‌کند، آن را به اندازه‌ی لازم کوتاه کنید. دقت کنید که نخ به خوبی به بادکنک بسته شده باشد و از آن جدا نشود. همچنین بادکنک باید در جایی از ماشین قرار داشته باشد که بتواند به راحتی به جلو و عقب حرکت کند بدون اینکه برای راننده مزاحمت ایجاد کند و جلوی دید او را بگیرد.
از راننده بخواهید حرکت کند و سرعت اتومبیل را افزایش دهد و به مقدار ثابتی برساند. موقعیت بادکنک چگونه تغییر می‌کند؟ این مشاهده مطابق پیش‌بینی شما بود؟ چرا؟
حالا از راننده بخواهید سرعت اتومبیل را کاهش دهد و بایستد. بادکنک چگونه حرکت می‌کند؟ آیا بادکنک مطابق پیش‌بینی شما حرکت کرد؟ چرا؟
مطالعهٔ بیشتر