Fizyka dla każdego

فیزیک و بازی ها

- مکانیک چیست؟ قطعه ای از ماشین است که همیشه خراب میشود؟

ترمودینامیک چطور؟ آیا نوعی ورزش ایروبیک است که در تابستانِ گرم انجام میشود؟

- نه! اینها بخشهایی از فیزیک هستند. مکانیک علمِ حرکت‌شناسی است و ترمودینامیک دانشِ گرماست.

- خودِ فیزیک چیست؟

- فیزیک بنابه عقیده‌ی ارسطو (متفکر دوران باستان) دانش طبیعت است؛ طبیعت یعنی هر آنچه که شما میتوانید لمس کنید.

- پس من میتوانم فیزیک را لمس کنم؟

- معلوم است!  ارسطو هر آنچه را که نمیتوان لمس کرد، متافیزیک نامید.

- پس من میتوانم با آن بازی کنم؟

-البته! قطعا با این کار چیزهایی دستگیرت خواهد شد.

 

به وبسایتِ "بازی با هر آنچه که قابل لمس است" (حداقل بصورت مجازی، یعنی روی صفحه‌ی رایانه) خوش آمدید.

(و اجازه دهید هر آنچه را که نمیتوان لمس کرد، به متافیزیک‌دانان بسپاریم).

 

 

 

مکانیک (Mechanics)

 

 

احساس تعادل

پرنده ای که در نگاه نخست بطور غیرطبیعی از منقارش آویزان است، طوطی ای که تاب میخورد، خرس آکروبات‌باز، یا دوچرخه‌ران از اسباب‌بازیهایی هستند که مرکز سنگینی سراسری را نشان میدهند. آنها با اینکه از میله ای آویزان هستند، اما نمی‌افتند و با سرخوشی تاب میخورند.

 

در همه‌ی این اسباب‌بازیها مرکز سنگینی سراسری تغییر یافته است؛ این امر با افزودن وزن صورت پذیرفته است، به نحوی که مرکز سنگینی واقعی زیر نکته‌ی اتکا قرار گیرد. اگر ما آنها را مجبور به حرکت نوسانی کنیم، آنها به آهستگی نوسان میکنند زیرا مرکز سنگینیِ سراسریشان زیاد از نقطه‌ی چرخش دور نیست، درحالیکه گشتاور لختی آنها بزرگ است.

 

اگر روی طنابِ بندبازی در حالت تعادل باشید، مرکز سنگینی سراسریتان کجا واقع میشود؟ ما برای اینکه نیافتیم، به چمدانهایی سنگین نیاز داریم؟

 

More (بیشتر)

 

 

 

احساس تعادل

 

دستیابی به تعادل دائمی مستلزم اتخاذ معیارهایی است که معطوف به جابجایی مرکز گرانش به دور از محل "اصلی" اش است.

 

در مثالِ پرنده، افزودن وزنه‌ی اضافه بروی بالهایش موجب میگردد تا مرکز گرانش‌اش بسوی منقارش جابجا گردد، بطوریکه مرکز گرانش در زمان تعادل درست زیر تکیه‌گاه قرار میگیرد. همین موضوع درباره‌ی خرسِ تدی و بندبازی صدق میکند که میله ای منحنی با وزنه (گوی) بهمراه دارد. طوطی و توکان نیز پس از افزودن وزنه بر بالهایشان براحتی بروی میله‌ی تکیه‌گاه تاب میخورند.

 

برخلاف مثالِ طوطی که سطحی مسطح دارد، میتوان از پرنده برای نمایش جنبه‌ی دیگری از اهمیت محل مرکز گرانش استفاده نمود؛ بطوریکه موقعیت "مناسب"  آن میتواند دو (یا حتی سه) بعدی باشد. اگر از بالا به این پرنده نگاه کنیم، بالهای باز و مسطح و دم اش به شکل مثلثی هستند که مرکز گرانششان در منقار قرار میگیرد. اگر هم از نمای کناری بنگریم، لبه های بال که رو به پایین هستند، این امکان را فراهم میکنند که مرکز گرانش زیر منقار جای گیرد.

زمانی که ما موجب حرکت نوسانی اسباب بازیها میشویم، آنها به آهستگی حرکت میکنند؛ همانند سرِ سگِ اسباب‌بازی که نوسان میکند.

 

سادگی این اسباب‌بازیها امکان آزمایش محلهای مختلف مرکز گرانش را میسر میکند؛ مثلا در "پازلِ ماه" یا "پرنده‌ی دکوری".

 

 

اپتیک (Optics)

 

پریسکوپ

پریسکوپ یک دستگاه اپتیکی ساده است که از دو آینه ی تخت تشکیل یافته است که موازی هم اند. اگر شما میخواهید که تمام افق را مشاهده کنید، باید سرتان را همراه با پریسکوپ بچرخانید.

 

پرتوهای نور با زاویه‌ی 45 درجه به آینه ها برخورد میکنند. تصویر حاصله مجازی، مستقیم و هم‌اندازه‌ی شئ می‌باشد.

 

معمولا در زیردریایی ها از پریسکوپ استفاده میشود.

 

 

More (بیشتر)

 

 

پریسکوپ

 

 

پریسکوپ ها همچنین در ماشین‌آلات جنگی و زمانهایی بکار میروند که ما خواهان دیدن اشیاء از ورای یک مانع هستیم (مثلا از پس انبوهی از مردم). در طرحواره‌های زیر نحوه‌ی کار پریسکوپ را میبینید (پریسکوپِ آینه‌ای در سمت چپ و پریسکوپِ منشوری در سمت راست).

 

پرتوهای نور با زوایه‌ی 45 درجه به هر دو آینه برخورد میکنند. اگر ما نیک بنگریم، تصویرِ مستقیم شئ را مشاهده میکنیم.

 

اگر بخواهیم کلّ افق را رصد کنیم، می‌بایست پریسکوپ را 360 درجه بچرخانیم. پس چرا دستگاه را به نوعی نمیسازند که بخش بالایی بچرخد؟ به طرحواره دقت کنید که اگر فقط آینه‌ی/منشورِ بالایی 180 درجه بچرخد چه اتفاقی می‌افتد.

 

بله؛ تصویر وارونه میشود. بنابراین کارایی وسیله برای مشاهده اجسام از بین میرود. فیلم زیر نشان میدهد که در پریسکوپِ چرخان (پریسکوپ آبی رنگ در تصویر صفحه‌ی قبل) چه اتفاقی می‌افتد.

 

 

 

ترمودینامیک (Thermodynamics)

 

 

 

 

 

دماسنج گالیله

حبابهای شیشه ای که درون استوانه ای شیشه ای قرار دارند، دمای اتاق را نشان میدهند. زمانیکه دمای مایع تغییر میکند، چگالی‌اش نیز تغییر می‌یابد. حبابها که درون مایع شناورند، با افزایش دما پایین‌تر می‌آیند. اینکه کدامیک از آنها شناور میماند و کدامیک‌شان فرو می‌افتد، به چگالی مایع بستگی دارد.  

 

حبابهای شیشه ای با مایعاتی رنگین پر شده و به گونه ای تراز گشته اند که با وزنه‌های کوچکی شناور بمانند. جرم حبابها با نیروی ارشمیدس وارده از مایعِ داخل استوانه یکی شده است (در دمایی مشخص). اگر دمای اتاق افزایش یابد، مایع درون استوانه (الکل) منبسط شده و چگالی‌اش کاهش می‌یابد. نیروی ارشمیدس وارد بر حبابها کاهش می‌یابد زیرا حجم آنها در مقایسه با تغییر حجم مایع درون استوانه تغییر چندانی نمیکند و در نتیجه بعضی از حبابها فرو می‌افتند.

 

مشکل زمانی رخ میدهد که دما بسیار بالا یا بسیار پایین باشد، که در نتیجه تمام حبابها یا به قعر مایع فرو می‌افتند یا بروی سطح شناور میمانند.

 

More (بیشتر)

 

 

دماسنج گالیله

چگالی مایعات و جامدات معمولا بصورت خطی با دما تغییر میکند. اگر بخواهیم دقیق‌تر یگوییم، چگالی طبق رابطه‌ی ذیل با دما کاهش می‌یابد:

که در آن B ثابت انبساط و T₀ دمای اولیه است. برای آب B برابر با  0,21·10^-3 K^-1، برای شیشه برابر با 0,01·10^-3 K^-1 - 0,03·10^-3 K^-1 و برای الکلِ ایزوپروپیل برابر 1,1·10^-3 K^-1 است (در دماسنج گالیله معمولا از الکل ایزوپروپیل استفاده میشد). هرچه ضریب انبساط دمایی بالا باشد، تغییر چگالی کمتر خواهد بود. با مقایسه‌ی ضرایب بالا میتوان نتیجه گرفت که چگالی مایعا ت با دما بشدت تغییر میکند، حال آنکه تغییر چگالی حبابهای شیشه‌ای بسیار اندک است. با افزایش دما مایع سبک‌تر میشود (در همان واحدِ حجم) اما جرم حبابهای شیشه‌ای تغییر نکرده و به همین دلیل در مایع فرو میروند.

 

حقیقت امر این است که اولین دماسنج گالیله یک ظرف حاوی مقداری مایع و لوله‌ای نازک بود که شبیه به دماسنجهای پزشکی کنونی (که درون آنها جیوه است) بود.

 

به یاد داشته باشید که با افزایش دما شیشه به میزان اندکی منبسط میگردد اما گرما را هم بخوبی منتقل نمیکند. لذا زمانی که از شیشه استفاده میکنید و میخواهید آن را حرارت دهید، شیشه ای با ضریب انبساط بسیار اندک مانند پیرکس را انتخاب کنید (که ضریب انبساط آن واقعا کم است، برابر با 0.003×10^-3 K^-1).

 

 

 

الکتریسیته و مغناطیس (Electricity and Magnetism)

 

 

زیورآلات الکتریکی

این کلید را پیزوالکتریک می‌نامند و با فشردن بلور کوارتز کار میکند؛ این بلور چیزی جز شنِ معمولی و شفاف نیست و بار الکتریکی حاصله بوسیله‌ی آن تقریبا قابل ملاحظه است. در آزمایش درخت کریسمس از این کلید بهمراه دو حبابِ تزئینیِ آویزان از شاخه استفاده خواهیم کرد و نشان میدهیم که بارهای مخالف چگونه یکدیگر را جذب میکنند.

حبابها از سیمی نازک (به قطر 0.1 cm) در کنار یکدیگر به فاصله‌ی 1 cm آویزان شده اند. انتهای دیگر آنها را به کلید وصل میکنیم (ابتدا باید پوشش آهنی را بردارید). زمانیکه کلید را وصل کنید، حبابها یکدیگر را جذب می‌نمایند، یا بعبارت دقیق‌تر، بطور ناگهانی و سریع بسمت هم حرکت میکنند.

 

شکی نیست که در این آزمایش به یک مولد الکترواستاتیک و توپهای اسفنجی (پلی‌استیرن) نیاز داریم که در فویل آلومینیومی پیچیده شده‌اند یا با گرافیتِ کلوئیدی پوشانیده گشته‌اند. در آن صورت دیگر آزمایش درخت کریسمس نیست.

 

 

More (بیشتر)

 

 

زیورآلات الکتریکی

اندرکنش بین توپها با رابطه‌ی کولن بیان میشود:

F = k·q₁q₂/r²

که در آن q₁  و q₂ بیانگر بار الکتریکی است، r مقاومت بین آنهاست و ثابت الکترواستاتیک برابر k = 1/4₀= 9·10⁹Nm²/C² .

 

در اصل قانون کولن اندرکنش بارهای نقطه ای را توصیف میکند اما باری هم که بصورت یکنواخت بروی سطح توپ توزیع شده است، معادل بارِ نقطه‌ایِ واقع در مرکز کره است.

بگذارید نیروی اندرکنش میان گره ها را محاسبه کنیم. ما میتوانیم بار توپها را از روی ظرفیت الکتریکی‌شان بدست آوریم. ظرفیت کره با رابطه‌ی C=R/k تعیین میشود که در آن R قطر کره است. مفهوم ظرفیت الکتریکی بدین صورت است: اگر بارِ یک کولنی (C) پتانسیل الکتریکیِ یک ولت (V) ایجاد کند، ظرفیت الکتریکی آن یک فاراد (F) است.

 

فندکِ پیزوالکتریک ولتاژهایی تا 10 keV تولید میکند، اما ظرفیت توپهای کریسمس بسیار اندک است (ظرفیت توپهایی به قطر 4 cm تقریبا برابر با 0,4·10^-11 F است). در نتیجه بار موجود روی هر توپ اندک است (4·10^-8C). نیروی اندرکنش بین دو توپِ باردار که در فاصله‌ی 5 cm از هم قرار گرفته‌اند (فاصله بین مراکزشان) نیز بسیار کوچک است (1,4 mN)، حال آنکه نیروی لازم برای انحراف توپی به جرم 5 g از حالت عمودی به میزان 1.5 درجه (برابر با 0.5 cm برای توپی که از سیمی به طول 20 cm آویزان است) معادل 1,2 mN است. بنابراین توپها باید بسیار نزدیک بهم باشند تا برخورد صورت گیرد.

 

اگر توپ سومی به یکی از قطبهای فندکِ پیزوالکتریک وصل شود، مشاهده میکنیم که دوبار الکتریکی هم‌علامت یکدیگر را دفع می‌نمایند ودو بار غیرهم‌علامت یکدیگر را جذب میکنند.