فیزیک کات دار- نگاهی به شوت کات دار از جنبه فیزیکی-اثر مگنوس

چرا شوت کات دار، انحنا دارد؟

صحنه ی گل روبرتو کارلوس را مرور کنیم: 

 

 

 

هیچگاه به این فکر کرده اید که چرا وقتی توپی را طوری شوت میکنیم که به دور خودش بچرخد، کات بر میدارد و از لحاظ افقی هم منحنی وار حرکت میکند؟۱

این اتفاق به خاصیت سیالات و خصوصا اینجا هوا ربط دارد.۲

توپ کات دار۳ یک حرکت مستقیم دارد و یک حرکت وضعی (حرکت به دور خودش)

اگر حرکت مستقیم توپ و سکون هوا را با سکون توپ و حرکت هوا در جهت مخالف جایگزین کنیم۴ مشاهده میکنیم حرکت وضعی توپ باعث میشود یک نیمکره (چپ یا راست با توجه به جهت حرکت توپ و جهت کات به داخل یا به بیرون) هم جهت با حرکت هوا و دیگری در خلاف جهت حرکت هوا باشد، این نیمکره ها روی سرعت هوای مجاور تاثیر گذاشته و نیمکره ی هم جهت با هوا، سرعت هوا را بیشتر میکند و نیمکره ی مخالف، سرعت را کاهش میدهد.

طبق معادله ی برنولی، سرعت و فشار رابطه معکوس دارند فلذا فشار هوای یک طرف از دیگری بیشتر خواهد بود و به توپ نیروی خالص وارد میکند و توپ شتاب مرکزی پیدا میکند و حرکت انحنا دار شروع میشود.

به این اثر یا نیروی مگنوس گفته میشود. 

 

 

 

۱- علاوه بر انحنای عمودی که بخاطر حرکت پرتابی در اثر گرانش زمین طبیعتا نباید جای سوال داشته باشد!

۲-چراکه توپ در هوا شناور است

۳- بدون در نظر گرفتن انحنای ایجاد شده توسط کات

۴-بدلیل نسبی بودن حرکت و سرعت میتوان این کار را انجام داد.مثل اینکه ماشینی به سمت شخصی ساکن با تندی ۷۰ کیلومتر بر ساعت در جهت شرق حرکت کند ولی ما فرض کنیم ماشین ساکن است و شخص با همان سرعت ولی در جهت غرب ( جهت مخالف) در حرکت است.

دینامیک، استاتیک، سینماتیک یا مکانیک؟ کدام را به کار ببریم؟

احتمالا برایتان پیش آمده باشد که از خودتان بپرسید چرا وقتی مکانیک میخوانید، نویسنده گاهی مبحث را سینماتیک میخواند، گاهی نوع نگاهش را دینامیک میداند و بعضی وقتها هم از همه گیج کننده تر، کلمه سینماتیک سر و کله اش پیدایش میشود.

اما واقعا تفاوت اینها چیست و آیا نمیشود بجای هم بکار ببریم؟

مکانیک شاخه ای از فیزیک است که به مطالعه حرکات ماده و نیروهای علت آن میپردازد. مکانیک میتواند کلاسیک باشد که مثال خوبی از آن مکانیک نیوتونی است (یا حتی نسبیتی) و همچنین میتواند کوانتومی باشد. اما مکانیک خودش زیر شاخه هایی دارد:

الف) دینامیک-استاتیک

کلمه دینامیک به معنای پویایی و تغییر با زمان است. یعنی وقتی چیزی با زمان تغییر کند میگوییم دینامیک است. استاتیک هم برعکس، سکون دارد و متغیر نیست.

-مثلا وقتی در مورد الکتریسیته حرف میزنیم به دو اصطلاح بر میخوریم:

۱-الکترودینامیک: بررسی الکتریسیته و قوانین الکتریکی وقتی الکتریسیته جریان دارد. یعنی مثلا بار الکتریکی در حرکت است.

۲-الکترواستاتیک: بررسی الکتریسیته ساکن. یعنی مثلا مقداری بار روی یک کره توزیع شده اند و حرکتی ندارند و با زمان تغییر نمیکنند.

-یا مثلا وقتی آب ساکن را بررسی میکنیم در حوزه هیدرواستاتیک و وقتی جریان آب را بررسی میکنیم و قوانین پیوستگی و... برقرار هستند، در حوزه هیدرودینامیک هستیم.

ب) دینامیک-سینماتیک

اینجا دینامیک به معنای بررسی علل و نیروهای حرکت اجسام است. مثلا اگر بگوییم جسمی بعلت وجود فلان نیوتون نیرو، فلان قدر شتاب میگیرد یعنی دینامیکی به حرکت نگاه میکنیم. اما اگر فقط به شتاب، سرعت و مکان نگاه کنیم و نیرو و جرم و علل حرکت را در نظر نگیریم، سینماتیکِ حرکت را بررسی کرده ایم.

دما واقعا چیست؟

 دما یک کمیت قرار دادی است.

برای فهم بهتر، به این مطلب توجه کنید که اصلا چطور دمایی را تعریف کنیم؟ مثلا معنای دمای صفر چیست؟ به چه چیزی میگوییم دما؟

برای پاسخ فرض کنیم دو سیستم داریم که هرکدام کمیتهایی دارند. مثلا هر کدام حجم و فشار مخصوص خودشان را دارند.

این دو سیستم را با هم تماس گرمایی میدهیم تا دچار تغییر و تحول شوند یا به اصطلاح تغییر حالت دهند یعنی فشار و حجمشان تغییر کند.

در نهایت این تغییر پایان میپذیرد. یعنی به اصطلاح تعادل گرمایی پیدا می کنند.

هم اکنون یک تابع تعریف میکنیم برای هر کدام از سیستمها که این تابع توسط کمیتهایشان ( در اینجا حجم و فشار) تعیین میشود.

مثلا میگوییم ضرب فشار در حجم.توسط این تابعها یک کمیت جدید تعریف میکنیم که وقتی دو سیستم در تعادل باشند، این کمیت بینشان مشترکا برابر باشد.این کمیت را دما میگوییم.

پس تعریف دما اینگونه میشود:

دما آن کمیتی است که بین دو سیستم در حال تعادل، یکسان است.

یعنی دو سیستم در حال تعادل گرمایی، دمای یکسانی دارند.

الکتریسیته

الکتریسیته از حضور اضافی یا کمبود الکترونها نسبت به پروتونها ناشی میشود.

عامل بار منفی، الکترون ها هستند.اما بار مثبت را پروتونها ایجاد میکنند.

ولی بعلت سنگین بودن، پروتونها معمولا در اجسام مقدار ثابتی دارند و این الکترونها هستند که با جابه جا شدن، مجموع بار الکتریکی را تغییر میدهند.

بعنوان مثال اگر جسمی الکترون بگیرد، چون تعداد الکترونهایش از پروتونهایش بیشتر میشود، بار منفی پیدا میکند و اگر الکترون از دست بدهد، بار مثبت خواهد داشت.

 

دانستنی:

الکترون ذره ای بنیادی است، یعنی از چیزهای دیگری ترکیب نشده و نمیتوان به اجزای کوچک تری تقسیمش کرد.

ولی پروتونها از مجموع کوارک هایی تشکیل شده اند که بعنوان مثال هر کوارک سهمی در ایجاد بار مثبت آن پروتون خواهد داشت.

مقابله با کرونا=خود قرنطینگی

علی رغم بی ارتباطی موضوع وبلاگ با مسائل بهداشتی، تصمیم به این گرفتم که برای مقابله راحت با کرونا به دانش آموزان عزیز و دیگران چند توصیه بکنم.زیرا برخلاف ادعای رسانه ها، اخیرا موارد بسیاری از فوت افراد جوان و بدون بیماری زمینه ای یا ضعف ایمنی پیدا شده که به معنای در خطر بودن همه ماست.در ضمن نداشتن علامت طرف مقابل، به معنای آلوده نبودن نیست چراکه تا دو هفته این بیماری علامتی ندارد!

۱-در خانه بمانید و حتی در صورت عدم تعطیلی مدارس و دانشگاه ها، درس هارا در خانه خودتان مطالعه کنید.جان انسان مهمتر است یا درس؟ (این حرف را کسی میزند که از ابتدای تحصیل عاشق درس بوده و هست! )

۲-به مهمانی نروید!

۳-به هیچ مکان عمومی، من جمله اتوبوس نروید.

به عبارتی راز عدم ابتلا، خود قرنطینگی است.هرچند دولت به فکر مردم نیست و قرنطینه را انجام نمیدهد، بیاییم خودمان این کار را انجام بدهیم.

سیاهچاله ها (تولد ستاره)

پس از انفجار،سیاهچاله موادی که بلعیده بود را به بیرون پرت میکند و این مواد به سحابی ها می پیوندند.

سحابی ها از باقیمانده ی سیاهچاله ها یا هرگونه مواد بین ستاره ای تشکیل شده اند.این مواد به مرور به محلی برای تولد یک ستاره ی جدید تبدیل میشوند.چراکه تحت جاذبه ی بینشان،به هم جذب شده و تشکیل ستاره و منظومه ای از سیارات در اطرافش میدهند.

 

سحابی شکارچی

 

۱- اتمام سوخت یک ستاره

 

۲- تبدیل شدن به غول قرمز

 

۳- فرو ریختن به یک کوتوله سفید

 

۴- تبدیل به ستاره نوترونی

 

۵- سیاهچاله

 

۶- مرگ سیاهچاله

 

۷- تولد ستاره

 

سیاهچاله ها (مرگ سیاهچاله)

سیاهچاله ها کاملا سیاه نیستند.یعنی تابش هاوکینگ از آنان ساطع میشود.بر اساس هم ارزی جرم و  انرژی، با تابش، جرمشان کمتر میشود.به اصطلاح تبخیر میشوند.البته میزان تبخیر به جرم سیاهچاله یا همان قدرت جاذبه اش بستگی دارد.

هرچه سیاهچاله سنگین تر باشد، دیرتر تبخیر میشود.تا حدی که برخی از سیاهچاله ها اصلا جرمشان کم نمیشود و تابشی که دریافت میکنند(تابش زمینه ای کیهانی) بیش از تابش خودشان است و جرمشان زیادتر میشود.

اما سیاهچاله های کم جرم تر، هرچه بیشتر تبخیر میشوند، تابش بیشتری پیدا میکنند و در نهایت حیات سیاهچاله به یک انفجار ختم میشود! تمام مواد باقیمانده درونش را به بیرون پرتاب میکند.

 

 

 

۱- اتمام سوخت یک ستاره

 

۲- تبدیل شدن به غول قرمز

 

۳- فرو ریختن به یک کوتوله سفید

 

۴- تبدیل به ستاره نوترونی

 

۵- سیاهچاله

 

۶- مرگ سیاهچاله

 

۷- تولد ستاره

 

سیاهچاله ها (ستاره نوترونی)

پس از مرحله ی ابرنواختر، اگر جرم ستاره ی اولیه بیش از یک و نیم برابر جرم خورشید باشد، بجای تبدیل شدن به کوتوله سفید، همچنان ستاره به روی خودش فرو میریزد تا جایی که پروتون و الکترونها با هم ترکیب میشوند و تشکیل نوترون میدهند. فلذا تمام این ستاره از نوترون است.

ستاره های نوترونی بسیار چگال هستند و جرم یک ستاره در ابعادی به قطر یک شهر، جای داده شده است پس بعید نیست که یک قاشق از ستاره نوترونی یک میلیارد تن جرم دارد!

معمولا این ستاره ها با سرعت بسیار زیاد به دور خودشان میچرخند و یک فرکانس برای تابش خود بوجود می آورند،یعنی هر چند مدت، یکبار آن تابش به ما میرسد به همین دلیل به این ستاره ها تپ اختر گفته میشود.

البته این فرکانس بسیار بالاست و آن مدت نرسیدن تابش،خیلی کوتاه.

همچنین انرژی تابشی آنان بسیار زیاد است و میتوانند اشعه ایکس تابش کنند.

ناگفته نماند که خورشید منظومه شمسی، بعلت جرم کم، نمیتواند از مرحله کوتوله سفید عبور کند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

۱- اتمام سوخت یک ستاره

 

۲- تبدیل شدن به غول قرمز

 

۳- فرو ریختن به یک کوتوله سفید

 

۴- تبدیل به ستاره نوترونی

 

۵- سیاهچاله

 

۶- مرگ سیاهچاله

 

۷- تولد ستاره

 

سیاهچاله ها (کوتوله سفید)

پس از تبدیل ستاره به غول قرمز و اتمام سوخت اضافی موجود در لایه بیرونی،ستاره خنک شده و به تدریج نیروی جاذبه مجددا غلبه میکند.

اما اینبار آنقدر کوچک میشود که فشار بسیار بالا میرود و یک انفجار ابرنو اختری رخ میدهد که تا سالیان سال میتواند درخششی حتی بیش از کل یک کهکشان داشته باشد.پرتوهایی پر انرژی گسیل میکند و محتویات خارجی ستاره را به دوردست ها پرتاب میکند.مابقی محتویات هم توسط جاذبه، روی خودش میریزد و اگر جرم ستاره اولیه کمتر از یک و نیم برابر جرم خورشید باشد،ستاره ای با نام کوتوله سفید تشکیل میدهند.

کوتوله سفید بعلت عدم وجود سوخت،سرد میشود،کم نور است و چگالی و جاذبه بسیار بالایی دارد چون مواد روی هم فشرده شده اند.بطوری که یک فنجان از محتویات کوتوله سفید، صد تن وزن دارد!

 

 

 

 

 

تصویر اول یک انفجار ابرنواختری را نشان میدهد

همانطور که از عکس دوم مشخص است،کوتوله سفید و زمین از لحاظ ابعاد قابل مقایسه هستند.

۱- اتمام سوخت یک ستاره

 

۲- تبدیل شدن به غول قرمز

 

۳- فرو ریختن به یک کوتوله سفید

 

۴- تبدیل به ستاره نوترونی

 

۵- سیاهچاله

 

۶- مرگ سیاهچاله

 

۷- تولد ستاره

 

سیاهچاله ها (غول قرمز )

- تشکیل غول قرمز:  در یک ستاره عادی، تعادلی بین نیروی حاصل از سوختن عناصر (که به سمت خارج میباشد) و نیروی جاذبه (به سمت داخل) وجود دارد.با خنثی شدن این دو نیرو، ستاره نه از هم میپاشد نه روی خودش فرو میریزد. از طرفی میدانیم که در لایه های درونی تر ستاره،فشار و دما بیشتر است.چون وزن لایه های بیرونی هم روی لایه های درونی می افتد و هم فشار و هم دما را بالا میبرد.

پس لایه های درونی،بعلت فشار بیشتر،بهتر عناصر را میسوزانند، پس اگر سوخت لایه درونی تمام شود،هنوز در لایه بیرونی سوخت موجود هست ولی نمیتوانند بسوزند چون فشار کافی نیست. وقتی لایه درونی بعلت نبود سوخت نمیسوزد، سرد میشود پس نیروی جاذبه بر سوختن غلبه پیدا کرده و ستاره کوچک میشود ولی در همین حال، بعلت فشرده شدن، لایه بیرونی شروع به سوختن میکند و ناگهان افزایش شعاع چند برابری پیدا میکند.پس معلوم شد چرا به غول موسوم است اما علت قرمز بودن هم وقتی مشخص میشود که بدانیم این ستاره چون سوخت کمی دارد و دمایی پایین، تابش ساطع شده از آن در محدوده طول موج های سرخ هستند.

 

 

 

شکل بالا  که از سایت ناسا دریافت شده، مقایسه ای از شرایط منظومه شمسی پیش و پس از غول قرمز شدن خورشید است.

همانطور که مشاهده میشود،هم اکنون یعنی در حدود چهار و نیم میلیارد سالگی خورشید، منطقه ی قابل سکونت در منظومه شمسی، حدود سیاره زمین است. ولی پس از تبدیل خورشید به یک غول قرمز، سیارات نزدیک خورشید به درونش فرو میروند و حتی زمین هم بسیار به خورشید نزدیک خواهد بود و دیگر قابل سکونت نیست.منطقه ی قابل سکونت در دوازده و نیم میلیارد سالگی خورشید،نزدیک به سیاره مشتری و زحل خواهد بود.یعنی این سیارگان میتوانند حدود نیم میلیارد سال گرم بمانند.

 

سری پست های سیاهچاله:

 

 

۱- اتمام سوخت یک ستاره

 

۲- تبدیل شدن به غول قرمز

 

۳- فرو ریختن به یک کوتوله سفید

 

۴- تبدیل به ستاره نوترونی

 

۵- سیاهچاله

 

۶- مرگ سیاهچاله

 

۷- تولد ستاره