دنياي نيوتن – بخش اول

1
893

بیگ بنگ: آيزاک نيوتن متولد ۱۶۴۲ ميلادي، فيزيک دان، رياضی دان، ستاره شناس و فيلسوف انگليسي است كه در سن 84 سالگي رخت از دنيا بست. وي حتي پس از نگارش نظريه خود، اشتياق و هيجاني براي انتشار آن نشان نمي داد. همانطور كه پلانگ براي اولين بار به نظريه نسبيت انيشتين توجه كرد و باعث توجه فيزيكدانان به وي شد، اين ادموند هالي بود كه باعث انتشار شاهكار نيوتن ” اصول رياضی فلسفه طبيعی” و شهرت وي شد.

newton

در اين کتاب، او مفهوم گرانش عمومی را مطرح ساخت و با تشريح قوانين حرکت اجسام، علم مکانيک کلاسيک را پايه گذاشت. از ديگر کارهای مهم او بنيان گذاری حساب ديفرانسيل و انتگرال، همزمان با لايپنيتز است. بيشتر دانش آموزان با نظريه نيوتن و قوانين آن آشنا هستند، اما همانطور كه قبلا گفته شد، اين آشنايي آكادميك معمولا به معناي درك و فهم عميق آن نيست. بنابراين هدف ما تكرار مطالب درسي نيست. سعي ما آشنايي فرآيندي و ژرف تر با اين نظريه بزرگ و كاربردي و در چارچوب اهدافي است كه قبلا ذكر كرديم.

اگر چه نيوتن از دستاوردهاي دانشمندان پيشين، به ويژه كپلر و گاليله كمك شاياني گرفت، اما به راستي مي توان او را بنيانگذار فيزيك دانست. وي ميراث پراكنده فيزيك را با مفاهيم و دستاوردهاي جديد آميخت و همه را در يك نظريه ساده و زيبابا پشتوانه قوي از منطق رياضي به دنيا معرفي كرد. نظريه نيوتن در عين سادگي ، قوي و كاربردي است. مفاهيم و پيش فرضهاي آن با مشاهدات و تجربيات روزمره ما قابل حس است. رياضيات آن نسبتا ساده بوده و هر دانش آموز كنجكاوي مي تواند از آن بهره ببرد. بياييد ما نقش نيوتن را بازي كنيم و اينگونه نظريه وي را تحليل كنيم:

3

توپي ساكن در اتاق وجود دارد. غرق در افكار روزمره خود، مدتي به آن خيره مي شويم. توپ همچنان ساكن است. ظاهرا همه چيز درون اين اتاق ساكن است. بلند شده و با پا ضربه اي به توپ مي زنيم. اكنون توپ حركت كرده و پس از كمي جست و خيز در گوشه اي ديگر آرام مي گيرد. تيله اي را مي بينيم كه بر روي سطح صيقلي كف اتاق به ما چشمك مي زند. با انگشت به آن ضربه اي مي زنيم. تيله حركت مي كند و پس از برخورد به ديوار باز مي گردد. با دست سد راهش مي شويم. تيله از حركت باز مي ايستد. شايد در پس پرده همين بازي ساده، اصولي مهم نهفته باشد!

ظاهرا يك جسم ساكن، همينطور ساكن باقي مي ماند، مگر آنكه …! مگر آنكه با پا ضربه اي به آن بزنيم. البته مي توان با دست هلش داد. مي توان آن را كشيد. گاهي حتي با يك فوت حركت مي كند. شلوغ شد! بهتر است از يك مفهوم كلي استفاده كنيم. مانند : “نيرو “! بهتر شد! (چرا؟!) هر جسمي در حالت سكون باقي مي ماند، مگر اينكه به آن نيرويي وارد شود. يك انديشمند حرفه اي هميشه لحظاتي پس از خوشحالي كشف چنين اصولي،خودمنتقد خويش مي شود و در واقع مي انديشد كجاي كار ممكن است اشكال داشته باشد. براي اين موضوع، انديشمند ما بايد پديده هاي گوناگوني را تصور و حتي تجربه كند كه مي تواند در اين اصل به ظاهر ساده خللي ايجاد نمايد. بدن من ساكن است، اما يك باره حركت مي كند. در اين حالت ماهيچه هاي من نيروي حركت را تامين مي كنند. يك پر كاه ساكن ناگهان در هوا به پرواز در مي آيد! چگونه؟ نيروي باد! آن سيب چسبيده به شاخه درخت، ناگهان به سمت زمين حركت مي كند. با كدام نيرو؟ اولين چالش بزرگ! بهتر است در آينده به مسئله سقوط باز گرديم.

تفكر، تصور، تحليل، آزمايش با مقداري صبر تا بدين جا ما را به اين نتيجه مي رساند كه مي توان تا حدود زيادي به اين اصل اعتماد كرد. تنها مشكل باقيمانده، حركت يا سقوط خود به خودي اجسام است، اما شايد اين حركت نيز با نيرويي نهفته انجام مي پذيرد! مانند نيروي گرانش! در همان بازي ما پرسشهاي مهم ديگري نهفته است. چرا توپي كه توسط ضربه ما به حركت در آمده بود، سرانجام از حركت ايستاد؟ چرا دست ما همچون سدي مانع ادامه حركت تيله شد؟ چرا تيله بر روي سراميك بيشتر از فرش حركت مي كند؟ چرا تيله با برخورد به ديوار سنگي بازگشت، اما پس از برخورد به دست من از حركت ايستاد؟ آيا نيروها فقط باعث حركت مي شوند؟ چرا در تجربيات روزمره ما بيشترحركتها به سكون مي انجامد؟ با مقداري تفكر و تحليل متوجه مي شويم كه اينجا نيز پاي نيرو در ميان است!

2

فضايي را در نظر بگيريد كه جسمي درون آن در حال حركت (يكنواخت) است. آيا اين جسم تا ابد به حركت خود ادامه ميدهد؟ ذهن ما مي گويد بله! مگر اينكه …! مگر اينكه نيرويي در حركت آن اختلال ايجاد كند. پس بهتر است اصل اولي را كامل تر كنيم: هر جسمي در حالت سكون يا حركت (يكنواخت) باقي مي ماند، مگر اينكه به آن نيرويي وارد شود (قانون اول نيوتن). اكنون چالشهاي بيشتري تفكر ما را به مبارزه مي طلبد! چرا آن تيله متحرك روي فرش ساكن شد؟ نيروي اصطكاك تيله با فرش(چرا اين اصطكاك بيشتر از سراميك است؟). چرا سيب پس ار برخورد به زمين ساكن شد؟ نيروي برخورد.

پس از مدتها تحقيق و تفكر متوجه مي شويم كه ظاهرا اصل اكتشافي ما خلل ناپذير است. اما آيا اين اصل كاربردي است؟ بايد توپمان را برداريم و به يك زمين فوتبال برويم. هرچه ضربه هاي قويتري به توپ مي زنيم، توپ متحمل حركت و جابجايي بيشتري مي شود. تا همين حد كافيست كه به پتانسيل كاربردي بودن اصلمان پي ببريم. البته تا بدين جا براي يك فوتباليست نيز قابل پيش بيني است. او بهتر از ما ضربه ها را تنظيم مي كند. ما بايد نيرو را مدرج كنيم. اگر موفق شويم، قدرت و دقت پيش بيني ما از فوتباليست نيز پيشي مي گيرد! يك فنر براي مدرج كردن نيرو چطور است؟ اگر يك توپخانه فنري بسازيم و پرتابه هاي توپ را آزمايش كنيم به چه نتايجي مي رسيم؟ آيا مي توانيم با نيروي مدرج شده ميزان اصطكاك سطوح مختلف را درجه بندي كنيم؟ آيا با نيروي مدرج شده مي توان به ميزان سنگيني اجسام پي برد؟ همه اينها و خيلي بيشتر از اينها شدني است، به شرطي كه براي مفاهيم كمي خود استاندارد تعريف كنيد و سپس با آزمايش هاي گوناگون و دقيق، روابط رياضي اين مفاهيم را استخراج نماييد.

3 (2)اگر شبيه فرآيند گفته شده تحليل و تفكر را ادامه دهيد به تدريج به مفاهيم اصلي قوانين نيوتن دست خواهيد يافت: سكون ، سرعت يكنواخت، نيرو، شتاب، جرم و … اگر چه ما چنين مفاهيمي را در تجربيات روزمره خود احساس مي كنيم، اما بايد آنها را به شكلي علمي تعريف نماييم. سكون و سرعت يكنواخت شباهت خاصي به همديگر دارند. در هر دو حالت ميزان جابجايي يا تغيير مكان در طول زمان ثابت است، با اين تفاوت كه اين مقدار ثابت در حالت سكون برابر صفر است. زماني اين مفاهيم كاربردي مي شوند كه ما قدرت تشخيص و اندازه گيري ميزان جابجايي و زمان را داشته باشيم. اگر چه اينها ساده مي نمايد، اما در عمل مشكلات ويژه اي پديدار مي شود. در جهاني كه همه چيز در حال حركت است، چگونه مي توان گفت يك جسم ساكن يا داراي سرعت يكنواختي است؟ زمان را چگونه مي توان اندازه گيري كرد؟

براي تشخيص سكونت يك جسم، ابتدا بايد به يك مرجع استناد كرد. براي بررسي رفتار حركتي يك توپ درون زمين فوتبال، به راحتي مي توان زمين را مرجع و ساكن در نظر گرفت. مهم نيست كه خود كره زمين با چه سرعتي در حال حركت باشد. از طرفي مي توان مثلا از يك آونگ براي اندازه گيري زمان استفاده كرد. اگر چه يافتن اجسام ساكن در چنين حالتي بسيار راحت است، اما پيدا كردن اجسامي كه با سرعت يكنواخت حركت مي كنند، كار مشكلي است! سرعت اجسام و همان توپ به راحتي دستخوش تغيير مي شود. ضربه به توپ بر سرعت آن مي افزايد، اما بلافاصله از سرعت آن كم شده و ساكن مي شود. بنابراين تعريفي براي تغيير سرعت مهم به نظر مي رسد و اينگونه به يك مفهوم مهم مي رسيم : شتاب ! شتاب را مي توان تغييرات سرعت در طول زمان تعريف كرد.

اگر آزمايشها را با همين امكانات و يك فنر رفرنس به عنوان نيروي مشخص شروع كنيم، متوجه دو نكته اساسي مي شويم. يكي اينكه براي يك جسم مشخص و در شرايط يكسان، هر چقدر نيرو افزايش يابد، ميزان جابجايي و در واقع شتاب آن بيشتر است. به زبان رياضي، نيرو متناسب با شتاب است. از طرفي هر چه يك جسم خاص بزرگتر و سنگين تر مي شود، مقدار نيروي لازم براي جابجايي آن افزايش مي يابد. در نتيجه نيرو متناسب با … است. چه مفهومي براي جاي خالي مناسب تر است؟ ” سنگيني” ، ” بزرگي” ، “لختي” ، “مقدار يا بزرگي ماده” ، …؟ نيوتن از مفهوم “جرم” استفاده كرد كه در واقع ارتباطي احساسي با ذهن انسان دارد، يعني همان مقدار ماده كه به صورت خاصيتي مشترك در همه اجسام به نسبتهاي مختلف وجود دارد. پس نيرو هم متناسب با شتاب است و هم جرم (قانون دوم نيوتن)!

ادامه دارد »»»
نويسنده : احمد مصدر / سایت علمی بیگ بنگ
منابع :
• فيزيك پايه ، ديويد هاليدي و رابرت رزنيك، ترجمه مهدي گلشني و ناصر مقبلي، مركز نشر دانشگاهي
• فيزيك براي سرگرمي ، پرلمان ياكوف ، ترجمه احسان قوام زاده



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

یک دیدگاه