نیروی پس‌کشی و سرعت حد

بیگ بنگ: در آوریل ۱۹۸۷، چترباز سقوط آزاد، گرگوری رابرتسون در حین سقوط متوجه شد که دوست چتربازش، دبی‌ویلیامز، بر اثر ضربه‌ای که در برخورد با چترباز سومی دیده بود بی‌هوش شده است و نمی‌تواند چترش را باز کند. رابرتسون که در آن زمان خیلی بالاتر از ویلیامز بود و هنوز چترش را باز نکرده بود، برای شیرجه‌ای ۴ کیلومتری بدنش را تغییر جهت داد و سرش را به طرف پایین گرفت تا سطح‌ مقطعش را به حداقل و سرعت رو به پایین خود را به حداکثر برساند.

538652_443469595705341_1371092437_nبه گزارش بیگ بنگ، او با سرعت برآورد شده ۳۲۰ کیلومتر بر ساعت، خود را به ویلیامز رساند و سپس به صورت افقی همچون عقاب بال‌گستر تغییر وضعیت داد تا سطح مقطع بدن خودش را افزایش داده و از سرعت خود بکاهد. وی ابتدا چتر دوست خود را باز کرد و سپس، بعد از رها کردن او، در زمانی که فقط ۱۰ ثانیه با برخورد به زمین فاصله داشت چتر خودش را باز کرد. ویلیامز، به‌دلیل این‌که نتوانسته بود در برخورد با زمین خودش را کنترل کند، آسیب‌های داخلی زیادی دید ولی از این مهلکه جان به در برد. اگر گرگوری رابرتسون با قوانین فیزیک آشنایی نداشت، شاید هم‌اکنون ویلیامز از بین رفته بود. اما این قوانین فیزیکی چه بودند؟

شاره یا سیال، هر گونه ماده‌ای است که قابلیت شارش یا جاری‌شدن داشته باشد. معمولا شاره یا به صورت گاز است یا مایع. هنگامی که جسم و شاره نسبت به یکدیگر در حرکت باشند (وقتی که جسم در شاره حرکت کند یا این‌که شاره در حال حرکت باشد و از کنار جسم بگذرد)، در جهت حرکت شاره نسبت به جسم نیرویی بر جسم وارد می‌شود که نیروی پس‌کشی D نام دارد و تأثیرش مخالفت با حرکت نسبی است. فرض می‌کنیم جسم مورد نظر پهن‌پیکر باشد (مثل توپ بیسبال) نه باریک و کشیده (مثل نیزه). و سرعت حرکت نسبی هم به اندازه‌ای زیاد است که جریان هوا در پشت سر جسم به تلاطم درمی‌آید (و پیچ و تاب می‌خورد). در این حالت نیروی پس‌کشی D به صورت زیر با سرعت نسبی v مرتبط می‌شود.

نیروی پس کشی برابر است با:

(ضریب پس‌کشی * چگالی هوا * سطح مقطع موثر * سرعت نسبی به توان ۲) تقسیم بر ۲ = نیروی پس‌کشی

D = (CpAV^2)/2

چگالی هوا (p)، جرم واحد حجم است. سطح مقطع مؤثر (A)، مساحت سطح مقطع عمود بر سرعت نسبی (v) است. ضریب پس‌کشی (C) که گسترده آن معمولا بین ۰/۴ تا ۱ است، برای هر جسم، در واقع مقدار ثابتی ندارد. زیرا مقدار آن بر اثر تغییرات شدید v می‌تواند تغییر کند.

گربه‌ای که در حال سقوط است. باید به اندازه ارتفاع شش طبقه‌ی ساختمان سقوط کند تا سرعتش به سرعت حد برسد. تا وقتی که ارتفاع سقوط به این مقدار نرسیده باشد، نیروی گرانش بیشتر از نیروی پس‌کشی است. و گربه به دلیل نیروی برایند رو به پایین شتاب خواهد داشت. توجه شود که بدن انسان هم یک دستگاه شتاب‌سنج است نه سرعت‌سنج. گربه هم چون شتاب را حس می‌کند، هراسان می‌شود و پاهایش را زیر بدن جمع‌شده‌اش نگه‌ می‌دارد، سرش را به درون بدن فرو می‌برد و ستون فقراتش را به طرف بالا قوز می‌کند. به این ترتیب‌، برای گربه سطح مقطع مؤثر (A) کاهش و سرعت نسبی افزایش می‌یابد و در نتیجه آسیب‌دیدگی‌اش هم محتمل می‌شود.

اما اگر گربه در خلال مسافت طولانی‌تر سقوط به سرعت حد برسد، شتاب حرکت از بین می‌رود و گربه تا حدی آسوده‌خاطر می‌شود. پاها و گردنش را به حالت افقی کشیده در می‌آورد و ستون فقراتش را راست می‌کند و به‌ صورت سنجاب در حال پرواز در می‌آید. این واکنش‌ها سبب می‌شود که سطح مقطع مؤثر افزایش یافته و در نتیجه طبق فرمول، نیروی پس‌کشی هم افزایش یابد. چون در این حالت نیروی پس‌کشی بیشتر از شتاب جاذبه زمین و برایند نیرو رو به بالا است، حرکت گربه شروع به کند‌شدن می‌کند تا اینکه سرعت جدید کوچکتری برای v حاصل شود. کاهش سرعت حدی، امکان آسیب‌دیدگی جدی گربه را در برخورد به زمین کاهش می‌دهد. در لحظه‌های پایانی سقوط، گربه وقتی می‌بیند که دارد به زمین می‌رسد، پاهایش را به زیر بدن می‌برد تا آماده‌ی فرود شود.

نویسنده: اسماعیل جوکار/ سایت علمی بیگ بنگ

برگرفته از کتاب مبانی فیزیک نوشته جرل واکر، هالیدی، رزنیک، ترجمه دکتر محمدرضا کلاه‌چی و دکتر محمدابراهیم ابوکاظمی

image_pdfimage_print
(15 نفر , میانگین : 4٫60 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=33574
اسماعیل جوکار

اسماعیل جوکار

نویسنده این مطلب: اسماعیل جوکار، دانشجوی مقطع کارشناسی فیزیک، علاقمند به فیزیک، نجوم و کیهان شناسی می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۳ پاسخ‌ها

  1. vahid گفت:

    ترجمه ها تاثیر زیادی در فهم ما از علوم خواهند داشت.
    یادمه تودوره دبیرستان به ما الکترو مغناطیس رو آموختن، به دلیل ترجمه های نا مناسب از این علم هنوز برخی از معانی و مفاهیم رو متوجه نشدم.
    نیروی پس کشی یه خورده جانیفتاده است. حقیقتش من که تا به حال نشنیدم. روابطی که نوشته شد رو تو کتاب سیالات با عنوان نیروی درگ نام گذاری می کنن که از جنس نیروی اصطکاکی و از نوع اصطکاک ویسکوز. عمریه بیشتر اساتید و دانشگاهیان با همین نام میشناسنش یا درگ (Drag) یا اصطکاک ویسکوز. بدست آوردن رابطش هم با نوشتن روابط ناویراستوکس قابل اثبات.
    ضمن اینکه ضریب لیفت و درگ (Cp ) در آزمایشگاه ها بدست می یاد.

  2. رهام گفت:

    خیلی ممنون از مطالب خوبتون.

    اگر ترجمه ها هر بیشتر ساده و توضیحات روان تر بشه، علاقه عمومی به دانش و مطالب علمی بیشتر میشه.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *