مشاهدهٔ شماره ۱۱۴
مفاهیم کلیدی:
غوطه‌وری، نیروی جاذبه، حرکت شتابی، اینرسی، دانسیته
مقدمه:
مراحل در قسمت اول با اینرسی آشنا شدید و مشاهدهٔ ساده‌ای را انجام دادید تا این مفهوم اساسی فیزیک را با چشم خود ببینید. در این قسمت با آزمایش‌های تکمیلی مشاهدهٔ بیشتری در این مورد خواهیم داشت.
آزمایش‌های تکمیلی:
بادکنک و وزنه را همزمان و در کنار هم به کف و سقف اتومبیل متصل کنید تا بتوانید حرکت هر دو را تحت افزایش و کاهش سرعت اتومبیل بررسی کنید و با هم مقایسه کنید. موقعیت این دو جسم تحت کاهش و افزایش سرعت چگونه تغییر می‌کند؟
یک بار دیگر حرکت وزنه و بادکنک را با هم مقایسه کنید. آیا زمانی که اتومبیل با سرعت ثابت حرکت می-کند این دو جسم از جای خود تکان می‌خورند؟
از راننده بخواهید با سرعت ثابت به سمت چپ یا راست بپیچد. (بهتر است این کار را در حین حرکت انجام دهئ تا اینکه از حالت ایستاده سرعت خود را افزایش دهد و بپیچد.) بادکنک در هنگام پیچیدن اتومبیل چگونه حرکت می‌کند؟ وزنه در هنگام پیچیدن اتومبیل چگونه تغییر موقعیت می‌دهد؟ مشاهده های خود را چگونه توجیه می‌کنید؟ دقت داشته باشید که تغییر جهت حرکت نیز به نوعی حرکت شتابی محسوب می-شود چون نحوه‌ی حرکت جسم در حال تغییر است.
اگر از وسیله‌ی نقلیه‌ی عمومی مثل اتوبوس یا مترو استفاده می‌کنید:
در اینجا نیز مراحل تقریباً مشابه مراحلی است که با استفاده از اتومبیل شخصی انجام می‌دهید. اما به این نکته دقت کنید که در یک وسیله‌ی نقلیه‌ی عمومی، شما قادر به کنترل افزایش یا کاهش سرعت نیستید. همچنین ممکن است این افزایش و کاهش سرعت به حد کافی شدید نباشد و در نتیجه تغییر در موقعیت اجسام بسیار کوچک خواهد بود. پس باید به خوبی به موقعیت و نحوه‌ی حرکت اجسام دقت کنید.
در صورت امکان، در جایی دور از سیستم تهویه هوا و همینطور پنجره‌های باز بنشینید. (اتوبوس‌های قدیمی که سیستم تهویه هوا ندارند برای انجام این آزمایش بسیار مناسب هستند.)
یک نخ به توپ گلف یا وزنه‌تان ببندید. سپس نخ را در دست بگیرید به طوری که وزنه آویزان بماند و بتواند به راحتی به اطراف تاب بخورد. دقت کنید که آن را جایی نگه دارید که با کسی یا چیزی برخورد نکند. موقعیت وزنه با افزایش سرعت حرکت اتوبوس چگونه تغییر می‌کند؟ در هنگام کاهش سرعت چطور؟ آیا تغییر جهتی در حرکت وزنه مشاهده می‌کنید؟ چرا؟
وزنه را کنار بگذارید و نخ دوم را به بادکنک هلیومی ببندید. انتهای نخ را روی پای خود نگه دارید. این کار را در جایی انجام دهید که بادکنک بتواند بدون محدودیت به اطراف حرکت کند. (اگر طول نخ زیاد بود و بادکنک به سقف اتوبوس برخورد می‌کرد نخ را کوتاه کنید.) همچنین مراقب باشید که حرکت بادکنک به اطراف برای مسافران اتوبوس مزاحمت ایجاد نکند. با افزایش سرعت اتوبوس، بادکنک چگونه حرکت می‌کند؟ در هنگام کاهش سرعت چطور؟ چرا؟
آزمایش تکمیلی:
اگر اتوبوس خلوت بود و اجازه داشتید، از یک کتاب سنگین بعنوان پایه استفاده کنید و در کف اتوبوس آن را روی انتهای نخی که متصل به بادکنک است بگذارید. با توجه به حرکاتی که اتوبوس انجام می‌دهد، مثلاً توقف، کاهش و افزایش سرعت، سعی کنید حرکت بادکنک را پیش‌بینی کنید.
مشاهده و نتیجه‌گیری:
وزنه‌ی آویزان در هنگام افزایش سرعت اتومبیل به جلو، به دلیل اینرسی باید به سمت عقب تاب بخورد. به خاطر داشته باشید که وقتی اتومبیل شروع به حرکت می‌کند، وزنه به دلیل اینرسی تمایل دارد در موقعیت قبلی خود باقی بماند. اما به نظر شما چرا در مورد بادکنک این اتفاق نمی‌افتد؟ زمانی که اتومبیل به سمت جلو شتاب می‌گیرد، بادکنک نیز به سمت جلو منحرف می‌شود! در اینجا چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ چیزی باعث جلو رفتن بادکنک می‌شود و جالب این است که اتومبیل بادکنک را به جلو نمی‌برد چرا که بادکنک در فضای داخل اتومبیل آزادانه در حال حرکت است.
گازها (مانند هوایی که در اطراف ماست و همینطور هلیوم داخل بادکنک) و مایعات (مانند آب) سیال هستند و شکل مشخصی ندارند. اگر اجسام با دانسیته‌ی پایین در سیالات با دانسیته‌ی بالاتر قرار بگیرند داخل آن شناور می‌شوند؛ مانند یک عروسک از جنس لاستیک که در داخل آب شناور می‌شود. برای یادآوری، اگر یک جسم (جامد، مایع و یا گاز) دانسیته‌ی بیشتری نسبت به جسم دیگر داشته باشد، به این معنی است که در یک حجم مشخص، جرم بیشتری از آن ماده وجود دارد.
حال تصور کنید که عروسک لاستیکی را داخل آب یک استخر قرار داده‌اید. نیروی جاذبه به هر دوی اینها، یعنی آب استخر و عروسک وارد می‌شود و آنها را به سمت پایین می‌کشد. اما هرچه جرم یک جسم بیشتر باشد، نیروی جاذبه‌ای که به آن وارد می‌شود قوی‌تر است. درنتیجه، نیروی جاذبه‌ی بیشتری به آب که دانسیته‌ی بیشتری نسبت به عروسک دارد وارد می‌شود و حاصل این است که اگر عروسک لاستیکی را در داخل آب استخر رها کنید، به روی آب می‌آید و روی سطح آن شناور می‌شود.
حال سعی کنید از این توضیحات برای توجیه اتفاقی که در داخل اتومبیل می‌افتد استفاده کنید. همانند هرچیزی که جرم دارد، هوای اطراف ما نیز دارای اینرسی است. درنتیجه زمانی که اتومبیل شتاب می‌گیرد، هوای داخل اتومبیل تمایل دارد در موقعیت قبلی خود باقی بماند و با حرکت اتومبیل به جلو نرود. درواقع، مولکولهای هوای داخل اتومبیل، در همان جهتی حرکت می‌کنند که وزنه‌ی آویزان در هنگام شتاب گرفتن اتومبیل حرکت می‌کند. زمانی که هوای داخل اتومبیل به سمت عقب متمایل می‌شود تا در مقابل حرکت به سمت جلوی اتومبیل مقاومت کند، مولکولها از کنار بادکنک هلیومی که دانسیته‌ی کمتری دارد عبور می‌کنند و به عقب می‌روند. با حرکت مولکولهای هوا به سمت عقب اتومبیل، در آنجا ناحیه‌ای با فشار بالا به دلیل تراکم مولکولهای هوا ایجاد می‌شود که بادکنک سبک را به سمت جلوی اتومبیل هل می‌دهد. همین قانون توجیه می‌کند که چرا یک بادکنک هلیومی در هوا غوطه‌ور می‌شود. نیروی جاذبه هوای سنگین‌تر را به سمت کف اتومبیل می‌کشد و باعث می‌شود ناحیه‌ای با فشار بالا در زیر بادکنک ایجاد شود که بادکنک را به سمت بالا و سقف اتومبیل هل می‌دهد. با افزایش و کاهش سرعت اتومبیل، درواقع فقط موقعیت این توده‌ی هوای پرفشار عوض می‌شود که باعث می‌شود بادکنک در جهت‌های مختلف هل داده شود.
 |
شما می‌توانید مشابه این آزمایش را با استفاده از یک حباب داخل یک ظرف آب انجام دهید. ظرف آب را در جهت‌های مختلف حرکت دهید و نحوه‌ی تغییر موقعیت حباب را بررسی کنید. سعی کنید این رفتار حباب را توجیه کنید.
مطالعهٔ بیشتر