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.

نگاهی دقیقتر به باریک شدن آب هنگام سقوط

 

 

چرا آبی که سقوط میکند باریک میشود؟

سه سطح پاسخ را ارائه میکنیم تا درک کاملتری حاصل شود:

الف)

اولا میدانیم با سقوط آزاد، اجسام تحت شتاب گرانش زمین قرار میگیرند و سرعتشان افزایشی است. اما اگر قرار باشد معادله پیوستگی برای ابتدای سقوط و کمی بعدتر، برقرار باشد، باید وقتی سرعت کمتر است، سطح مقطع بیشتر باشد ولی با سقوط که سرعت افزوده میشود، باید سطح مقطع کاهش پیدا کند و به اصطلاح باریک تر شود. 

ب)

معادله پیوستگی از ثبات شار عبوری آب از مقطع های مختلف حاصل میشود یعنی از این اصل بدیهی که در یک زمان مشخص، باید حجم یکسانی از آب از هر دو قسمت عبور کند.

پس اگر سرعت عبور آب مثلا با سقوط دو برابر شود و اگر قرار می بود سطح مقطع یکسان باشد، پس میزان آب دوبرابر میشد که بی معناست!

یعنی طبیعی است که اگر سرعت آب دوبرابر شود، باید سطح مقطع نصف شود تا همان میزان آب را داشته باشیم. 

اما نگاهی دقیقتر به این ماجرا چیست؟

چطور میتوان درک بهتری از این مسئله بدست آورد؟

پ)

بیایید همین آزمایش سقوط از سطح مقطع خاص(مثلا لوله) را با جامدات انجام دهیم.

مثلا تعدادی سکه را پشت سر هم رها کنیم.

چه اتفافی می افتد؟

تنها اتفاق مشهود، این است که سکه ها با سقوط، فاصله شان از هم بیشتر میشود که آنهم بخاطر شتاب گرانش است. سطح مقطع هیچ تغییری نمیکند و باریک شدن در کار نیست.

اگر با جامدات دیگری مثل خاک اره هم انجام دهیم بازهم باریک شدن مشاهده نمیشود.

گویی این باریک شدن فقط خصیصه آب است!

البته نه فقط آب بلکه سیالات این ویژگی را دارند.

چرا؟ چون سیالات پیوسته هستند و نمیتوانند مثل جامدات از هم فاصله بگیرند و سرعتشان را زیاد کنند، بلکه بعلت وجود نیروی بین مولکولی، با افزایش سرعت، توسط مولکولهای قبلی کشیده میشوند و باریک میشوند.

پس باریک شدن سیالات ترکیبی از علل را داراست.

خلاصه اینکه: 

شتاب گرانش موجب افزایش سرعت میشود، نیروی بین مولکولی باعث کشیده شدن میشود و ثبات شار عبوری، به معنای عدم امکان اضافه شدن آب است و این یعنی آب باید باریک شود.

مبحث تکمیلی:

آیا هر آبی که سقوط میکند باریک میشود؟ جواب این سوال منفی است!

باید بخاطر داشته باشیم که آبی که از لوله خارج میشود تقریبا سرعتی عمودی دارد و سرعت ذراتش مولفه افقی ندارد اما اگر مثلا یک آبشار را در نظر بگیریم یا یک مورد دیگری که چندان حالت ایده آل و منظمی نداشته باشد مثلا با دست آبی را به بالا بپاشیم، بعلت وجود بی منظمی در سرعت ذرات آب، مشاهده باریک شدن چندان ساده نیست.

مثلا فرض کنید مقداری از آب قبل از سقوط،بعلت برخورد با یک سنگ، سرعتی در جهت افقی میگیرد و به سمت پهن شدن باریکه ی آب برود، حال حتی اگر نیرویی به آن وارد شود و قوانین فیزیک اجرا شود، بازهم برای ما قابل مشاهده نیست.

پس باید یادمان باشد در حالت آشوب قوانین فیزیک از بین نمیروند بلکه مجموعه ای از علل فیزیکی طوری عمل میکنند که نتیجه ی نهایی به سادگی قابل پیش بینی نیست.

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 (سیاهچاله)

اگر ستاره ای چند برابر سنگین تر از خورشید باشد،حتی از حالت ستاره نوترونی هم بیشتر چگال میشود و به موجودی با جاذبه ای وحشتناک به نام سیاهچاله تبدیل میشود.

سیاهچاله اجازه خروج هیچ چیز حتی نور را هم نمیدهد و همه را در دام جاذبه خودش گیر می اندازد.

افق رویداد سیاهچاله، شعاعی است که اگر چیزی به آن وارد شود، هرگز توان مقابله با ورود به دخول به سیاهچاله را نخواهد داشت.

سال گذشته، افق رویداد یک سیاهچاله توسط تلسکوپ EHT که یک پروژه ی جهانی بود، تصویر برداری شد.

البته این نور دریافتی متعلق به موادی بود که داشتند به داخل سیاهچاله میرفتند و بسیار داغ شدند و تابش داشتند.

 

هرچند در بالا سعی کردیم، مقداری از ویژگی های فیزیکی سیاهچاله هارا بیان کنیم، اما از لحاظ ریاضیاتی، سیاهچاله ها بسیار پیچیده هستند.آنان بخاطر جرم بسیار زیادشان، انحنایی بینهایت زیاد در ساختار فضازمان ایجاد میکنند و به اصطلاح باعث ایجاد تکینگی میشوند. در آنجا هست که بعلت کوچک بودن ابعاد باید دست به دامان کوانتوم شد در حالی که کوانتوم روی خوشی به گرانش اینشتین نشان نمیدهد و باید تئوری های بهتری همچون ریسمان استفاده شود تا بتوان بیشتر بررسی شان کنیم.در عین حال مطالب ریاضی در سطح دبیرستان و حتی کارشناسی نیستند و اینجا نمیتوانیم مطرحشان کنیم.

 

سیاهچاله ای که رصد شد

 

تصویری از یک سیاهچاله در حال بلعیدن.تابش آبی، تابش هاوکینگ و تابش در راستای بالا و پایین جت نام دارند

 

 

 

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