راز سنگ پرنده

واضح آرشیو وب فارسی:آنلاین ها:

نوشته شده توسط امير مهدي زربو راز سنگ پرنده چه چيز سنگي كه بر روي سطح درياچه پرتاب شده را به جست زدن مداوم وا مي دارد، و تعداد جست هايي كه مي تواند بزند، چند تاست؟ در اينجا «لودريك بوكت» و «كريستوفر كلانت» در اصول فيزيكي سنگ پرنده، كند و كاو مي كنند. در سال 1381، يك امريكايي با نام «كرت استينر»، ركورد جهاني جديدي در پرتاب سنگ بر روي عرض رودخانه در پنسيلوانيا بر جاي گذاشت و تعداد جست ها ي سنگ را به 40 دفعه رساند. خوانندگان مجله «فيزيكز ورلد» ممكن است به اندازه «استينر» موفق نبوده باشند، اما بسياري از آنها احتمالا با اصول سنگ پرنده - پرتاب يك سنگ صاف بر روي سطح حجم بزرگي از آب به طوري كه تا آن تعداد كه ممكن باشد، جست بزند – آشنا هستند ( تصوير 1) . به رغم اينكه پديده به خوبي شناخته شده است، سؤالاتي را برمي انگيزد ، مانند اينكه چرا سنگ همواره مي جهد، چند جست مي زند، و چگونه مي توان تعداد پرش ها را به حداكثر رساند؟ شكل 1 سنگ پرنده، تنها يك مثال مانند بسياري از نمونه هاي روزمره است، اما از پديده هاي فريبنده اي است كه مي توان با ابزارهايي فيزيكي مانند هيدروديناميك، كشساني و مويينگي آن را فهميد. حل اسرار اين پديده ها در گرو بر هم نهي اين مؤلفه ها ي جدا از هم به طور صحيح، قرار دارد؛ كاري كه گاهي اوقات با پيچيدگي فوق العاده اي همراه است. تعداد زيادي از اصول فيزيكي سنگ پرنده در اينجا بيان خواهد شد، به كمك استفاده از تجهيزات آزمايشگاه تخصصي در مورد سنگ پرنده و ضبط كننده حركت آن. نيروهاي متعادل منشا نيروهايي كه سنگ پرنده را به جهيدن وا مي دارند، به سادگي قابل شاسايي اند. پايستگي تكانه ايجاب مي كند زماني كه سنگ وارد آب شد و مقداري از آن را به پايين كشيد، در نوبت بعد سنگ به بالا كشيده شود. اين نيرو برابر فشار هيدروديناميك وارد شده به سنگ، ضرب در مساحت آن است، كه با تحليل ابعادي، مي تواند با رابطه نشان داده شود. كه درآن چگالي آب، U سرعت سنگ و S مساحت سطح مقطع آن است. با فرض اينكه اين نيرو با وزن سنگ معادل مي شود، كه M جرم سنگ و g شتاب گرانشي زمين است و از اين معادل شدن دو نيرو، مينيمم سرعتي در حدود چند كيلومتر بر ساعت به دست مي آيد كه سنگ با آن سرعت، خواهد جهيد. پشتوانه اين فرض هاي اصولي، نتايج تجربي كه ما و همكارانمان ( 2005 J. Fluid Mech. 543 137) جمع آوري كرده ايم، مي باشد. براي انجام آزمايشها، ابزاري منجنيق شكل كه مي تواند ديسك هاي آلومينيومي را با سرعت انتقالي و چرخشي ثابت پرتاب نمايد، و بتواند به آب زدن ها را با دوربين ويدئو پرسرعت ( شكل 2 و 3) ضبط نمايد، ساختيم. نتايج ما نشان داد كه حقيقتا يك سنگ براي جست زدن، نياز به يك سرعت مينيمم دارد. اگر سرعت آن از اين مقدار كمتر باشد، سنگ آب را در فاصله نزديكي خواهد شكافت و غرق خواهد شد . شكل 2 به هر حال، سرعت آستانه محاسبه شده واقعا خيلي بيشتر از آنچه كه در بحث ساده بالا پيش بيني شد است. اين به خاطر در نظر نگرفتن اينرسي سنگ، يعني مقاومت آن در برابر تغيير حركتش است. به طور كلي، بر حسب تحليل ابعادي، اينرسي به صورت 2-زمان* طول*جرم و در مورد سنگ به صورت كه در آن R شعاع سنگ و T‌ زماني است كه طي آن برخورد با آب صورت مي گيرد است. با معادل قرار دادن اين مقدار با نيروي بالابرنده، ، منجر به رابطه زير براي زمان برخورد مي شود: . شكل 3 ما صحت اين رابطه ساده را به طور تجربي با تغيير سرعت سنگ و استفاده از سنگ ها با جرم ها ، شعاع ها و ضخامت هاي متفاوت، بررسي كرده ايم، عليرغم اينكه تصوير هاي ما نشان مي دهند كه برخورد با سطح آب شامل يك فرآيند هيدروديناميك پيچيده است. در حقيقت، نسخه كمي پيچيده تر از چنين رابطه اي، مي تواند به دقت تمام نتايج تجربي ما را پيش بيني كند؛ حتي زماني كه سنگ از بازه اي از سرعتها و جهت هاي مختلف پرتاب شده است. آزمايشهاي ما نشان مي دهند كه سنگ پرنده، بايد با سرعت چرخشي معيني براي پايداري، بچرخد، يعني براي ثابت ماندن زاويه بين سطح سنگ و سطح آب ( آنچنانكه در مورد تصوير 3 صادق است) . اين پايداري به « تاثير ژيروسكوپي» معروف است، كه در موارد زيادي از فرفره چرخان گرفته تا ژيروسكوپ هايي كه در سفينه هاي فضايي پيدا مي شوند كاربرد دارد. براي پايدار ماندن، يك سنگ نوعا به چرخيدن حداقل يك بار در طول زمان برخورد، نياز دارد، كه به اين معني است كه بايد يك سرعت چرخشي كمينه تقريبا معادل با معكوس زمان برخورد داشته باشد. اگر چنين چرخشي رخ ندهد، برخورد سنگ نسبتا پيچيده تر شده و احتمال يك جهش دوم بسيار كمتر مي شود. اين چيزي است كه پرتاب كنندگان سنگ به طور غريزي مي فهمند، و با تلنگري توسط انگشت آن را به چرخش وامي دارند. نياز به سرعت با دادن اين حداقل ها، پرتاب كنندگان سنگ چگونه مي توانند تعداد جهش ها را به حد اكثر برسانند؟ طبيعتا، جواب سريعتر پرتاب كردن سنگ است. ما به طور تجربي دريافته ايم كه تعداد پرش ها كم و بيش متناسب با سرعت پرتاب ، كه مينيمم آن را در بالا مورد بحث قرار داديم، مي باشد. به هر حال، پرتاب سنگ با سرعت هاي بالا همراه با كنترل سرعت و جهت پرتاب، مي تواند يك چالش تكنيكي باشد. منجنيق ما قادر بود سنگ هاي 15 گرمي را تا سرعت كه تعداد پرش ها را به 20 پرش مي رساند، پرتاب كند. اما نمي توانست سريعتر پرتاب نمايد. اين، كمتر از كه براي شكستن ركورد جهاني « استينر» مورد نياز است، مي باشد. چقدر بد. «كرت استينر» دارنده ركورد جهاني پرتاب سنگ براي به دست آوردن اين نتيجه، بايد از لحاظ رياضي، دليل توقف پرش هاي سنگ را تشخيص مي داديم. به طور شگفت انگيزي، سرعت سنگ كم نمي شود ( همچنانكه مي توان در تصوير 2 ديد ، چنانكه سنگ فاصله هاي مساوي بين لحظه هايي كه تصوير برداري شده را ، طي كرده است. ) در عوض، مسير سنگ « هموارتر» شده است؛ به عبارت ديگر، مولفه عمودي سرعت آن كاهش يافته است، در حاليكه مولفه افقي آن ثابت مانده است. اين به خاطر زاويه اي است كه سنگ نسبت به سطح آب دارد، و ايجاب مي كند سنگ زماني كه به سوي پايين حركت مي كند، آب بيشتري را نسبت به زماني كه به سوي بالا حركت مي كند، جابجا نمايد ( آنچنانكه در شكل حفره فشاري در تصوير 3 ديده مي شود) . اين، منتج به يك انتقال تكانه كوچكتر در مرحله بعد از هر پرش مي شود و بنابراين، موجب بلند شدن كمتري مي گردد. با پرش هاي موفق، سرعت عمودي سنگ، به طور پيوسته كاهش يافته و انرژي آن ميرا مي گردد. زماني كه سنگ ديگر انرژي پرش را نداشته باشد، به راحتي داخل آب فرو مي رود و غرق مي شود. با تبديل اين استدلال به رياضي، پيش بيني عالي براي تعداد پرش ها به صورت تابعي از سرعت به دست مي آيد. تعداد جهش ها همچنين توسط نوع سنگ مورد استفاده و زاويه اي كه با آن پرتاب مي شود، تعيين مي گردد. ما اين عامل ها را به طور تجربي بررسي نكرده ايم؛ اما تخمين مي زنيم زاويه اپتيمم بين سطح سنگ و سطح آب در حدود ْ10 تا ْ20 باشد. و همانطور كه تمام سنگ پرانها مي دانند، سنگ هاي صاف تر بهترند. اين به خاطر توانايي بيشتر سنگ هاي صاف، نسبت به سنگ هاي دايره اي در جابجا كردن آب است. يك تفريح پر ثمر فيزيك پرش سنگ، كاربردهاي خودش را دارد، از جمله بمب معروف جهشي كه توسط « بارنز واليس» در جنگ جهاني دوم به عنوان سدشكن طراحي شد. اخيرا گروه هايي در دانشگاه توهوكو و موسسه تكنولوژي توكيو در ژاپن، نتايج تجربي ما را به عنوان محكي در مدل سازي برخورد اجسام جامد بر سطوح مايع به كار برده اند. چنين تحقيقاتي مي تواند براي مثال، در بهينه سازي طراحي اژدر هاي خاص كه زماني را در بالاي آب جهت كاهش زمان سفر خود طي مي كنند، به كار روند. در هر حال، هر كاربرد مشابه، به شعور بهره گيري از وقايع تصادفي مربوط است. دليل اصلي براي بررسي سنگ پرنده، به سادگي ، ارضاي حس كنجكاوي انسان است. منبع : http://physicsweb.org/articles ترجمه: امير مهدي زربو

hamkelasy . com

26 دسامبر 2011 |

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: آنلاین ها]

[مشاهده در: www.onlineha.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 179]