دنياي فيزيك 3

[فلفل نمك]

قبل از بيگ بنگ چه بوده است ؟ Carroll نيز مانند بسياري از فيزيکدانان و کيهان شناسان شروع به بررسي امکان وجود زمان قبل از بيگ بنگ و همچنين ارائه ي نظريات جديد درمورد چگونگي شکل گيري جهان کرده است. Carroll نتايج تحقيقات خود را هفته ي گذشته و در اجلاس اتحاديه ي ستاره شناسان امريکايي در Louis, Missouri مطرح کرد. متن زير خلاصه اي از گفته هاي Carroll پيرامن شکل گيري جهان است که از زبان خود او نقل قول مي شود :
اين دوره يک عصر طلايي در روند شکل گيري جهان محسوب ميشود، ولي مساله اي که در اينجا مطرح مي شود اينست که مدل کنوني که ما از جهان در دست داريم، درک کاملي را از آن ايجاد نمي کند. اول اينکه، در حدود 95% جرم جهان محاسبه نشده است. ظاهرا کيهان شناسان اين مشکل را با اختراع انرژي تاريک و ماده ي تاريک حل کرده اند. اما اين دليل نمي شود که چون ما ماده اي را متناسب با داده هايمان يافته ايم، از آينده ي جهان مطلع هستيم.
چيزي که بيشتر ما را شگفت زده مي کند، اطلاعاتي است که از فضاپيماي WMAP ( کاوشگر ناهمسانگردي امواج مايکروويو Wilkinson ) در مورد جهان بدست آمده. اين فضاپيما امواج پس زمينه ي کيهاني (CMB) يا همان امواج بيگ بنگ را بررسي مي کند.

تصوير لحظه اي WMAP از چگونگي شکل اوليه جهان، نشان مي دهد که جهان در آغاز، داغ، متراکم ويکنواخت (آنتروپي پايين) بوده است. ما نمي دانيم چرا جهان اينگونه بوده است. جهان ما چندان طبيعي بنظر نمي رسد. بعلاوه، حالت هاي کم آنتروپي و همچنين شرايط اوليه ي مکاني که بتوانند راه گشاي جهاني مشابه جهان ما باشند، کمياب هستند. اکثر آنها داراي آنتروپي بالاتري هستند نه پايين تر.



اکثر پديده هاي شگفت آور منفرد در مورد جهان، آن چيزهايي است که تغييرمي کنند. و تمام آنها در يک مسير ثابت از گذشته تا آينده در ميان جهان رخ مي دهند. به اين روند، بردار زمان گفته ميشود. اين بردار زمان از دومين قانون ترموديناميک بدست مي آيد. اين قانون آنتروپي را بيان مي کند و چگونگي حرکت يک سيستم بسته را از نظم به سوي بي نظمي شرح مي دهد و يک قانون بنيادي در فيزيک و ستاره شناسي بشمار مي رود.
يکي از سوالات مهم در مورد شرايط اوليه ي جهان به اين گونه بيان مي شود : که چرا در آغاز مقدرا آنتروپي اينقدر کم بوده است؟ Carroll در پاسخ به اين پرسش گفت : در لحظات اوليه ي بيگ بنگ ، آنتروپي مسئول بردار زمان بوده است. زندگي ، مرگ ، خاطرات و تمامي حوادث در جريان زمان و نظم موجود رخ مي دهند و نمي توانند به عقب باز گردند.
هر زماني که شما يک تخم مرغ را بشکنيد يا يک ليوان شيشه اي آب را رها کنيد، شاهد اين قانون کيهان شناختي خواهيد بود.
بنابراين به عبارت ديگر براي پاسخ به اين پرسشها درمورد جهان و بردار زمان، ما نياز به بررسي آنچه که قبل از بيگ بنگ رخداده خواهيم داشت. اما بدنبال تاريخي از جهان هستيم که براي همگان قابل درک باشد و بدنبال مکانيسمي اساسي براي حل اين معما خواهيم بود.
در حال حاضر ما مدل خوبي براي جهان نداريم و نظريات رايج به اين پرسش ها پاسخ مناسبي نمي دهند. نسبيت عام پيشبيني مي کند که جهان در يک تکينگي آغاز شده. اما نمي تواند هيچ چيز را تا پس از بيگ بنگ توجيه کند. تئوري تورم که دوره ي انبساط سريع جهان را در لحظات اوليه بيگ بنگ مطرح کرده نيز نه تنها کمکي به حل مساله نمي کند. بلکه مساله ي آنتروپي را وخيم تر ميسازد. اين تئوري، خود نيازمند نظريه اي براي توجيه شراييط اوليه است.
در اينجا مدل هاي ديگري نيز وجود دارند. اما من مدل جهان هاي چندگانه اي را که جهان هاي بچه را خلق مي کنند، مناسب تر مي دانم. جهان قابل مشاهده ي ما همه ي تاريخ خلقت را در خود ندارد. اگر ما بخشي از multiverse بزرگتري باشيم آنگاه هيچ حالت آنتروپي تعادلي بيشينه اي وجود نخواهد داشت و آنتروپي با آفرينش جهاني مشابه جهان ما ايجاد شده اشت.
تصوير
تحقيقات جديدي را که من به همراه گروهي از فيزيکدانان بر روي نتايج WMAP انجام داده ام ، نشان مي دهند که جهان داراي يک حالت نامتعادل يا يکطرفه است.
اندازه گيري هاي WMAP نشان مي دهند که نوسانات امواج پس زمينه ي کيهاني در يک سوي آسمان در حدود 10% قويتر از سوي ديگر آن است. به عبارت ديگر اگر اين نوسانات يک ساختار رها شده را در سرتاسر جهان خالق جهان ما نشان دهند آنگاه جهان در يک سوي خود سنگينتر خواهد بود. فهم بهتر گرانش کوانتومي به درک بهتر اين موضوع کمک خواهد کرد. نوسانات کوانتومي مي توانند جهان هاي جديد ي را بوجود آورند. اگر نوسانات گرمايي بتوانند در يک فضاي ساکن جهان هاي بچه را توليد کنند. پس داراي انتروپي و در نتيجه قادر به آفرينش جهان بوده اند.
Carroll بر اين نکته تاکيد بسيار دارد که هر پژوهشي در اين زمينه نياز به تفکر بسيار دارد. تا کنون هيچ يک از اين تحقيقات ثابت نشده اند .

[فلفل نمك]

منطقه ای خالی از ماده


دانشمندان مکاني در جهان يافته‌اند که چيزي در آن وجود ندارد. اين حباب خالي از ماده٬ اندازه‌ي بزرگي دارد و اين موجب شگفتي شده است. خصوصيت عجيب ديگر٬ تفاوت تابش ‌پس زمينه‌ي کيهاني در اين ناحيه٬ با ساير نقاط آسمان است. طبق نظریه‌ی انفجار بزرگ موج عظیمی از انفجار اولیه‌ی عالم در گیتی پخش شده است. با توجه به قدرت اولیه‌ی این موج و سن و وضعیت فعلی جهان، دانشمندان با محاسبات ریاضی پیش بینی کردند که موج حاصل از آن بعد از این همه سال باید در طول موج‌های خاصی از امواج رادیویی در حال انتشار باشد.
در همان ایام که این پیش بینی صورت گرفت به صورت اتفاقی در یک ایستگاه رادیویی٬ نویزی روی باند رادیویی خاصی آشکار شد. نویزی مرموز که از همه جهت به یک اندازه‌ی ثابت می‌آمد. با تطبیق این دو با هم مشخص شد که امواج حاصل از انفجار اولیه به راستی وجود دارند و نام آن را «امواج پس زمینه ی کیهانی» (CMB) نهادند. در واقع می‌توان گفت که پس زمینه‌ی کیهانی، تصویری از دوران کودکی کیهان به ما می‌دهد. تصویری از کودکی جهان در زمانی که تنها چند هزار سال سن دارد. به تازگی دانشمندان دانشگاه مینسوتا مقاله‌ای در نشریه‌ی «استروفیزیکال» (Astrophysical Journal) منتشر کردند و توضیح دادند که حبابی خالی از هر چیز را در کیهان کشف کرده‌اند. خالی از هر گونه ماده مانند کهکشان، سحابی، سیاهچاله و حتی خالی از ماده‌ي تاریک.



در این بررسی که در آن از «آرایه‌ی عظیم تلسکوپ‌های رادیویی» (VLA) استفاده شد، دانشمندان به اختلاف دمایی اندکی در محدوده‌ی خاصی از پس زمینه‌ی کیهانی برخوردند. VLA قادر است اختلاف دمایی در حدود یک میلیونیوم درجه‌ی سانتیگراد را آشکار کند. فاصله ی این حباب خالی از ما نزدیک به یک میلیارد سال نوری است. برخورد با چنین بخش‌های «خالی» چندان دور از انتظار نبود اما ابعاد این حباب خیلی بزرگ است. چنان عظیم که در هیچیک از شبیه سازی‌های کامپیوتری٬ مشابه آن پیش بینی نمی‌شد و این باعث شگفتی همگان شده است.
این یافته‌ها در پروژه ی «بررسی تمام آسمان» با آرایه ی عظیم VLA در قالب طرح NVSS به دست آمده است. در این بررسی٬ دانشمندان به صورت اتفاقی به کم شدن معنادار تعداد کهکشان‌های واقع در منطقه‌ای از صورت فلکی «نهر» برخوردند. با بررسی این ناحیه به وسیله‌ی ماهواره ی WMAP در سال ۲۰۰۴ در طول موج پس زمینه‌ی کیهانی، این نتیجه به دست آمد که بخشی کم انرژی منطبق بر آنچه VLA یافته بود در آن منطقه قرار دارد. به این دلیل نام این منطقه را «لکه ی سرد» (WMAP cold spot) گذاشته اند. به نظر می‌رسد عامل اختلاف سطح انرژی در پس زمینه‌ی کیهانی در این منطقه٬ نبود ماده باشد.
فوتون‌های پس زمینه‌ی کیهانی می‌توانند با قرار گرفتن در میدان‌های گرانشی عظیم مجموعه‌هایی مثل کهکشان‌ها یا خوشه‌های کهکشانی، نیرو گرفته و با انرژی بیشتری به طی مسیر خود ادامه دهند. مانند آنچه در حرکت «قلاب سنگی»، فضاپیماها برای انرژی گرفتن و پرتاب به سوی مرزهای دور منظومه‌ی خورشیدی از انرژی گرانشی سیارات بزرگ استفاده می‌کنند. پس آن بخش‌هایی از تابش پس زمینه‌ی کیهانی که سطح انرژی بالاتری دارند می‌توانند نشان دهنده‌ی مکان‌هایی با تراکم جرمی بالا باشند.
اما حالت دوم دقیقا معکوس حالت بالا است. انرژی تاریک نقش یک منبع گرانشی معکوس را بازی می‌کند و تاثیری عکس روی فوتون‌های پس زمینه‌ی کیهانی می‌گذارد. در نتیجه فوتون‌هایی که از بخش‌های با توزیع عادی مواد می‌آیند انرژی بیشتری دارند. به همین صورت فوتون‌هایی که از منطقه‌ای خالی از ماده عبور می‌کنند مقدار زیادی از انرژی خود را از دست می‌دهند.
پس منطقه‌ی شناسایی شده در این پروژه می‌تواند نشانگر بخشی خالی در کیهان باشد. منطقه ‌ای که در آن ماده - نه ماده‌ی شناخته شده و نه ماده‌ی تاریک – وجود ندارد. حبابی خالی از همه چیز در عالم یا به قولی دیگر حفره‌ای خالی از هر چیز. کمتر از یک دهه است ما از روند شتابدار گسترش عالم خبرداریم و همچنین مدت زمان کمی از کشف انرژی تاریک می‌گذرد. انرژی تاریک هنوز به درستی شناخته نشده و خواص و تاثیرات آن را نمی دانیم. بررسی چنین پدیده‌هایی می‌تواند به افزایش دانش و آگاهی ما در زمینه‌ی انرژی تاریک و انبساط جهان و در نهایت شناخت بهتر جهان بیانجامد. پروژه‌های تحقیقاتی اینچنین دانش ما را نسبت به جهان افزایش می‌دهد.

[فلفل نمك]

سیاهچاله طبق نظریه ، نسبیت عام ، گرانش انحنا دهنده فضا - زمان است. فضای حول ستاره به نحو بارزی خم می‌شود در لحظه‌ای که هسته ستاره تبدیل به حفره سیاه می‌شود. این جرم خطوط فضا زمان را مانند پیله‌ای به دور خود می‌پیچد. امواج نوری کم تحت زوایای خاصی به سمت سیاهچاله روان می‌شود. در سطح کره‌ای که هم مرکز نقطه یکتایی سیاهچاله است، تجمع می‌کنند. در فاصله معینی از سیاهچاله که بسته به جرم ستاره رمبیده دارد، جاذبه آنچنان زیاد است که نور نمی‌تواند فرار کند، به این فاصله افق حادثه گفته می‌شود.





ساختار سیاهچاله‌ها

با حل استاتیک غیر چرخشی با تقارن کروی برای معادلات میدان انیشتین این نکته مشخص می‌شود که سیاهچاله‌ها که از یک سمت به صورت چاه عمل می‌کنند، در سطح دیگری بصورت چشمه عمل می‌کند. یعنی می‌تواند دو سطح مختلف فضا زمان را از جهانهای گوناگون یا دو نقطه بسیار دور از جهان خودمان را به هم متصل کند. که به این حالت کرم چاله یا پل انیشتین رزن گفته می‌شود.

سیاهچاله‌ها چگونه بوجود می‌آیند؟

هر چه ستاره‌های نوترونی بزرگتر باشد کشش جاذبه‌ای داخلی آن نیز بیشتر خواهد بود. در سال 1939 اوپنهایمر فکر کرد که نوترونها نمی‌توانند در برابر همه چیز مقاومت کنند. به نظر او اگر یک چیز در حال از هم پاشیدن بزرگتر از 2.3 برابر اندازه خورشید بود، آنگاه نه تنها الکترونها بلکه نوترونهای آن نیز در هم می‌شکست.

همچنین باید بدانیم که وقتی نوترونها در هم شکستند، دیگر هیچ چیز مطلقا وجود ندارد که از در هم پاشیدن ستاره جلوگیری کند. اگر شما خود را روی سطح یک توده در حال از هم پاشیدن تصور کنید، آنگاه شما با فرو ریختن آن جسم به مرکز آن نزدیکتر و نزدیکتر خواهید شد. و بنابراین نیروی جاذبه بیشتر و بیشتری را حس خواهید کرد. تا هنگامی که ستاره به مرحله کوتوله سفید برسد، شما بیش از 1.016 تن وزن پیدا خواهید کرد.







وقتی که ستاره به در هم پاشیدن ادامه داد و از مرحله ستاره نوترونی هم گذشت و بطور کامل از هم پاشید، وزن شما از 15000 میلیون تن بیشتر و بیشتر خواهد شد. اگر سیاهچاله به اندازه کافی به ما نزدیک بود، می‌توانستیم نیروی جاذبه بر آن را حس کنیم. اما وقتی یک سیاه چاله در میان ستاره‌ها خیلی دورتر از ما قرار دارد، آیا می‌توانیم وجود آنرا اثبات کنیم؟ برای این منظور اخترشناسان دو راه آشکار شدن حدس می‌زنند.

• اول از روی جرم سحابی برای مثال اگر آنها جرمهای تمام ستارگان موجود در یک خوشه ستاره‌ای مرئی بطور قابل ملاحظه‌ای کمتر از جرم خوشه وجود داشته باشد، مرکز کهکشانها به عنوان مکانهایی تلقی می‌شوند که در آنها سیاهچاله‌ها وجود دارند. زیرا چگالی مواد در آنجا زیاد است.
• راه دوم نیز این بوده که اگر چه hc سیاهچاله‌ها هیچ تشعشعی خارج نمی‌شود، اما چیزهایی که در سیاهچاله‌ها سقوط می‌کنند. به هنگام سقوط اشعه ایکس از خود منتشر می‌کنند و هر چیز کوچکی که در سیاهچاله‌ها سقوط کند تنها مقدار کمی اشعه ایکس از خود منتشر می‌کند. این مقدار برای کشف آن در فاصله میلیونها میلیون کیلومتری کافی نخواهد بود.

در سال 1971 یک دانشمند انگلیسی به نام استفن هاوکینگ عنوان کرد که این واقعه بوجود آمدن سیاهچاله‌ها هنگامی که جهان نخستین انفجار بزرگ خود را آغاز کرد اتفاق افتاده است. هنگامی که تمامی مواد تشکیل دهنده جهان منفجر شد، مقداری از این مواد آن چنان به هم فشرده شدند که تبدیل به سیاهچاله گشتند. وزن برخی از این سیاهچاله‌ها ممکن است به اندازه وزن یک سیاره کوچک و یا از آن کمتر باشد و وی آنها را سیاهچاله کوچک نامید.

نتایج تحقیقات هاوکینگ

• سیاهچاله‌ها می‌توانند وزن از دست بدهند.
• مقداری از انرژی جاذبه‌ای آنها در خارج از محدوده شعاع شوارتز شیلد ستاره به ذرات ماده تبدیل می‌شود.
• ممکن است این ذرات به فضای بیرون بگریزند از این طریق مقداری از مواد تشکیل دهنده سیاهچاله‌های بزرگ که به اندازه یک ستاره وزن دارند، برای تبخیر همه مواد تشکیل دهنده‌اش میلیونها میلیون سال وقت لازم است. در حالی که در این مدت خیلی بیشتر از این مقدار ماده به آن اضافه می‌شود. بنابراین هیچگاه از طریق تبخیر وزن آن کاسته نمی‌شود.
• هر چه سیاهچاله کوچکتر باشد سرعت تبخیر آن بیشتر است یک سیاهچاله کوچک واقعی باید بیشتر از مقدار ماده‌ای که به خود جذب می‌کند وزن از دست بدهد. بنابراین سیاهچاله کوچک باید بوسیله تبخیر کوچکتر و کوچکتر شود و بالاخره هنگامی که دیگر خیلی خیلی کوچک شد یک مرتبه تبخیر آن حالت انفجاری به خود گرفته و تشعشعاتی حتی با انرژی بیشتر از اشعه ایکس منتشر کند. اشعه منتشر شده از این طریق اشعه گاما خواهد بود.
• سیاهچاله‌های کوچکی که 15 میلیون سال پیش هنگام نخستین انفجار بزرگ جهان ایجاد شده‌اند، اکنون ممکن است در حال ناپدید شدن باشند. هاوکینگ اندازه اولیه آنها و نوع اشعه گامایی را که هنگام انفجار تولید می‌کنند، حساب کرد.

انواع سیاهچاله

1. شوارتس شیلد: ساده ترین نوع سیاهچاله‌هاست، بار و چرخش ندارد، تنها یک افق رویداد و یک فوتون کره دارد، از آن نمی توان انرژی استخراج کرد. شامل تکینگی ، نقطه‌ای است که در آن ماده تا چگالی نامحدود در هم فرو رفته است.
2. رایزنر- نورد شتروم: هم بار دارد وهم چرخش ، می تواند دو افق رویداد داشته باشد ، اما تنها یک فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی نقطه ای است که وجود آن در طبیعت نامحتمل است، زیرا بارهای آن همدیگر را خنثی می کنند.
3. کر: چرخش دارد، اما بار ندارد. بیضی و از بیرونی حد استاتیک است. منطقه تیره میان افق رویداد و حد استاتیک ارگوسفر است، که می توان از آن انرژی استخراج کرد. می تواند دو افق رویداد و دو حد استاتیک داشته باشد. دو فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی حلقه‌ای است.
4. کر- نیومان: هم بار دارد و هم چرخش ، همان سیاهچاله کر است، جز اینکه بار دارد، ساختارش شبیه ساختار سیاهچاله کر است. می‌توان از آن انرژی استخراج کرد. یک تکنیگی حلقه‌ای دارد.
   
   به نظر پژوهشگران چهارنوع سیاهچاله همچنانکه ذکر شد می تواند وجود داشته باشند. مهمترین موضوع در باب سیاه چاله آنست که ، بدانیم ماده در داخل سیاهچاله‌ای که حاصل آمده است در نهایت به چه سرنوشتی دچار می شود؟ اختر فیزیکدانان می‌گویند:
   
   اگر مقداری ماده به داخل حفره سیاه از قبیل آنچه که از یک ستاره وزین مرده بجای مانده بیندازید، نتیجه نهایی همواره الزاما یک چیز خواهد بود و تنها جرم ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای که جسم با خود حمل می کند باقی خواهند ماند. اما اگر کل جهان به داخل حفره سیاه خود بیفتد، یعنی به شکل سیاهچاله در آید، دیگر حتی کمیاب بنیادی (جرم) ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای نیز ناپدید می گردند.

مجهولات سیاهچاله‌ها

اگر ستاره شناسان بتوانند نوع پرتوهایی که هاوکینگ پیش بینی کرده است، شناسایی کنند، مدرک خوبی برای تأیید تشکیل و وجود سیاهچاله بدست خواهد آمد. اما تاکنون پرتوهای پیش بینی شده کشف نشده‌اند. با اینحال هر لحظه ممکن است این پرتوها شناسایی شوند. دلیل تابش اشعه ایکس از حفره سیاه این است که جرمی که توسط طوفانهای ستاره‌ای خود ستاره ، از سطح آن می‌گریزند، در فاصله مناسبی که به حفره سیاه رسیدند، توسط حفره شکار می‌شوند و در مداری به دور حفره شروع به چرخش کرده و به این ترتیب شکل یک دیسک عظیم را تشکیل می‌دهند.

با توجه به این نکته که لایه‌های داخلی‌تر دیسک سریعتر از لایه‌های خارجی می‌چرخند، در اثر اصطکاک لایه‌های مختلف دیسک گرم شده و شروع به تابش اشعه ایکس می‌کنند. به این دیسک ، دیسک تجمعی گفته می‌شود. این حالت برای اولین بار در ستاره دوتایی (دجاجه1-X) مشاهده شده است. احتمالا قطر خود حفره سیاه (قطر افق حادثه) 30 کیلومتر است و برای تمامی ستاره دوتایی سیاهچاله ساختمان به همین شکل است.

***

مفهوم سیاه چاله
معادله ای که او در یک مختصات کروی بدست آورد اینگونه بود که اگر در مخرج یکی از کسرها مقدار r=2MG/C2 را بگذاریم مقدار کسر به سمت بی نهایت میل می کند. در واقع در کل معادله چیزی به بینهایت نمی رسد ولی ایده ای که از آن استخراج می شود این نتیجه را می دهد که اگر جسمی به شعاع مورد نظر برسد مفهومی به نام سیاه چاله از آن بیرون می آید.
در اکثر محاسبات مقدار عددی 2 که در صورت کسر واقع شده منظور نمی شود ولی در واقع باید گفت که این عدد هم در محاسبات تاثیر دارد. اگر توجه کنیم متوجه می شویم که این رابطه بسیار به فرمول نیوتنی سرعت گریز شبیه است. پس شاید این نتیجه گیری شود که فرقی بین نسبیت عام ومکانیک نیوتنی وجود ندارد برای موارد عملی زیادی که انجام شده این مطلب تائید شده است که مکانیک نیوتنی فقط برای اجرام معمولی صادق است ودر واقع مکانیک نیوتنی حالت خاصی از نسبیت عام است. البته باید توجه کرد که مکانیک نیوتنی در حال حاضر برای تمام اجرام حتی سیاه چاله ها نیز صدق می کند ولی این در حالتی است که ما آثار آن را با یک جسم که در فاصله ی نسبتاً دور از آن قرار دارد بررسی کنیم. در سطح سیاه چاله قوانین دچار تغییر وتحول می شوند وبیشتر از نسبیت عام وخاص پیروی می کنند.
از نسبیت خاص صحبت کردیم،در اینجا سئوالی مطرح می شود. آیا مفهوم سیاه چاله ها از نسبیت خاص هم قابل مطرح کردن است؟آیا نسبیت خاص که اکثراً در مورد ذرات ریز اتمی بکار برده می شود در این مورد هم کارساز است؟در پاسخ باید گفت که نسبیت خاص هم در مورد سیاه چاله ها چیزهایی برای گفتن دارد.

در ابتدا چیزی که باید در آن تامل کرد این است که آیا جرم نسبیتی که در نسبیت خاص از آن صحبت می شود تاثیری در نیروهای گرانشی ومحاسبات ما دارد وآیا کلاً فرقی میان جرم نسبیتی وجرم گرانشی ویا جرم لختی وجود دارد؟ در مورد جرم لختی وگرانشی باید گفت که نسبیت عام آنها را یکی کرد ولی کار در مورد جرم نسبیتی کمی پیچیده تر است. چون این جرم تابع سرعت است با یک آزمایش ساده نمی توان گفت که این جرم نیز تفاوتی با جرم گرانشی یا لختی ندارد.اما با وجود این باید گفت که ما حتماً باید جرم نسبیتی را نیز در مورد نیروهای گرانشی اعمال کنیم.در واقع جرم نسبیتی هم نیروی گرانشی را حس می کند وبا آن بر هم کنش دارد که ساده ترین مورد آن جرم حرکتی فوتون است که در میدان گرانشی منحرف می شود.
حال ببینیم که اگر ما جرم نسبیتی را در یکی از فرمول های گرانشی اعمال کنیم چه اتفاقی می افتد؟ وچگونه به ایده ی سیاه چاله می رسیم؟
در مکانیک نیوتنی ما با چیزی به نام انرژی پتانسیل گرانشی آشنا هستیم ونحوه بدست آوردن آن هم بسیار ساده است. منتهی در اینجا ما جرم نسبیتی را هم در آن لحاظ می کنیم.اگر نسبیت خاص را بطور دقیق خوانده باشید جرم نسبیتی در محاسبات مربوط به نیروها هم اعمال می شود وما با توجه به مطالب قبلی آن را در مورد نیروی گرانشی هم بکار می بریم.انرژی پتانسیل گرانشی در واقع منفی مقدار کاری است که برای جابجایی جسم از یک فاصله بی نهایت که(∞) Uبرابر صفر است تا مکانی خاص صورت می گیرد.
معادله ای که برای انرژی پتانسیل گرانشی بدست می آید دارای دو مقدار عددی برای اجرام است. جرمی که میدان گرانشی قویتر دارد وجسمی که در آن میدان واقع شده است. اما شاید مکان این جسم در این میدان گرانشی تغییر کند واین تغییر همراه با سرعتی باشد که بتوان در آن از ملاحظات نسبیتی استفاده کرد. اگر از انرژی پتانسیل گرانشی که در آن از جرم نسبیتی استفاده شده استفاده کنیم وآن را در کنار انرژی جنبشی جسم که در حال فاصله گرفتن از میدان گرانشی است قرار دهیم می توانیم شعاع حدی را برای پیدا شدن یک سیاه چاله بدست آوریم.
فرض می کنیم ما این جسم را از سطح جرمی که جسم مورد نظر در میدان گرانشی آن قرار دارد به بالا پرتاب می کنیم. انرژی جنبشی نسبیتی آن که در تمام سرعتهابرقرار است را در نظر می گیریم. همچنین انرژی پتانسیل گرانشی را که آن هم بصورت نسبیتی است. وقتی جسم به بی نهایت برسد دیگر انرژی جنبشی نخواهد داشت وانرژی پتانسیل آن هم برابر صفر خواهد بود.پس نتیجه می شود که انرژی کل جسم در فاصله بی نهایت صفر است. از پایستگی انرژی می دانیم که انرژی کل این جسم باید در سطح میدان گرانشی هم صفر باشد. یعنی باید داشته باشیم: K+U=0
که اگر مقادیر مورد نظر را در آن قرار دهیم معادله ای بدست می آید که در آن سرعت گریز برای تمام اجرام از زمین گرفته تا خورشید وستاره ی نوترونی وحتی سیاه چاله بدست می آید. این فرمول بسیار فرمول جالبی است چون در نزدیکی اجرام معمولی مثل زمین وخورشید به معادله معروف نیوتنی تحویل می شود واین با یک بسط ساده مشخص می شود.



اما وقتی جرم افزایش می یابد ویا شعاع کم می شود معادله دچار تغییر وتحولی هرچند کوچک می شود.اگر در این معادله مقدار r=MG/C2 را قرار دهیم متوجه نکته ای می شویم که ما را به همان مفهوم سیاه چاله که از نسبیت عام استخراج شده بود رهنمون می کند.
در اینجا سرعت گریز برابرسرعت نور می شود. در واقع ما توانستیم نوعی همگرایی در مکانیک نیوتنی ونسبیتی برقرار کنیم. مقدار c که در معادله ی کلی سرعت گریز ظاهر می شود این مطلب را تائید می کند. مورد دیگری که در فرمول عمومی سرعت گریز که از محاسبات نسبیت حاضر بدست آمده دیده می شود این است که مقدار سرعت گریز وسرعت مداری در سطح سیاه چاله تقریباً به یک هدد میل می کند وبرابر سرعت نور می شود که این هم از شگفتی های نسبیت خاص است که اجازه نمی دهد چه سرعت گریز وچه سرعت مداری از سرعت نور بیشتر شود.ولی چرا قبلاً این مفهوم از نسبیت خاص استخراج نشده بود؟اما مسئله ای در اینجا ظاهر می شود وآن مقداری اختلاف در اندازه شعاعی که برای تبدیل شدن جرم به سیاه چاله بدست آوردیم. در محاسبات کارل شوارتس شیلد این مقدار برابر 2MG/C2بود ولی در محاسبه ی نسبیت خاص مقدار آن برابر MG/C2 بدست آمد.شاید مسئله در این باشد که در محاسباتی که آقای شوارتس شیلد انجام داده اند نسبیت خاص را در آن منظور نکرده اند. البته فرق زیادی هم در این مورد نمی کند. چون هدف ما رسیدن به مفهوم سیاه چاله بود که خوشبختانه از هر دو روش هم به آن رسیدیم وشاید اگر ما در دام یک سیاه چاله بیافتیم برای ما فرق چندانی نداشته باشد که کدام شعاع دقیق تر است. شما چه فکر می کنید؟


رصد سیاهچاله ها !

تلسکوپ مادون قرمز United Kingdom (UKIRT) در موناکی هاوایی دارای ***** مادون قرمزی است که قطبسنج(IRPOL) نام دارد . چندین سال است که ستاره شناسان با استفاده از UKIRT و IRPOL و دیگر تلسکوپ ها در جستجوی مدارکی هستند که اثبات کند که یک چنین سیاهچاله ی ابرسنگین درخشان ، مواد را در یک ساختار مخصوص دیسک مانند متحد می کنند، و این دیسک با استفاده از انرژی بستگی گرانشی سیاهچاله مستقیما شروع به تابش می کند. نظریه پردازان مدتها تصور می کردند که چنین دیسک هایی می بایست وجود داشته باشند و در این مورد نیز نظریات قوی وجود دارد ، اما تا کنون این نظریات و مشاهدات با یکدیگر متناقض بوده اند.

دکتر Makoto Kishimoto از موسسه ی ماکس پلانک و محقق اصلی این پروژ می گوید : پس از سال ها جدال ، سرانجام ما مدارک قانع کننده ای را بدست آورده ایم که وجود این دیسک را در اطراف سیاه چاله اثبات می کند.

این نظریه هم اکنون با موفقیت در ناحیه ی خارجی دیسک در حال بررسی و آزمایش است و این به فهم بهتر نواحی خارجی دیسک که به سیاهچاله نزدیکتر هستند کمک خواهد کرد.

ناحیه ی خارجی دیسک از خود آن مهم تر است . روش هایی را که ما از آنها در اثبات این نظریه بکار می گیریم می توانند به برخی از پرسشهایی که در مورد مرز خارجی دیسک مطرح هستند پاسخ گوید.

دکتر Robert Antonucci از دانشگاه کالیفرنیا در سانتاباربارا و از محققین این پروژه در این باره می گوید : فهم ما از فرایندهای فیزیکی در دیسک هنوز قدری کم هست اما همین دانش کم حداقل ما را از تصاویر مطمئن می کند .

ستاره شناسان امیدوارند این روش جدید اطلاعات بیشتری را در مورد دیسک های اطراف سیاهچاله ها در آینده ی نزدیک فراهم کنند .

كائناتي درون سياه چاله

مطالعات جديد عنوان مي كنند زماني كه ماده توسط سياه چاله بلعيده ميشود،ممكن است به درون كيهان ديگري كه داخل سياه چاله قرار دارد،فرو ريزد يا درون گذرگاه كرم چاله ماننديكه به سياه چاله ي ديگري ارتباط دارد،به دام افتد.
يكي از بزرگترين اسرار علم فيزيك اين است كه چه چيزي درون يك سياه چاله وجود دارد.فرضيه اي كه وجود سياه چاله ها را پيش بيني كرد(نسبيت عام)عنوان مي كند،تمام موارد درون سياه چاله با فشزده شدن به يك نقطه ي مركزي با چگالي بي نهايت تبديل مي شوند كه تكينگي ناميده مي شود.
كريستين بوهمر از دانشگاه لندن مي گويند:اما بعد از آن،همه چيز از نظر رياضي تجزيه و خرد مي شود.ما مي خواهيم اين تكينگي از پديده ي سياه چاله حذف شود.
پژوهشگران زيادي بز اين عقيده هستند كه يك فر ضيه ي جديد و جهان شمول كه گرانش و تاثيرات كوانتومي را به هم پيوند دهد مي تواند اين موضوع را حل كند.فزضيه ي تار از شناخته شده ترين اين جايگزين هاست.
اما بوهمر و همكاران وي از فرضيه ي ديگري به نام ((گرانش كوانتوم حلقوي))استفاده مي كنند كه رقيب فزضيه ي تار است. بر اساس اين فرضيه،فضا-زمان به عنوان شبكه اي از حلقه هاي انتزاعي تعريف مي شود كه بخش هاي كوچكي از فضا را به هم متصل مي كنند.
قبلا از فرضيه ي گرانش كوانتوم حلقوي در مقبابل ايده ي تكينگي استفاده شده بود. اين فرضيه پيشنهاد مي كند به جاي يك مهبانگ،كيهان اوليه دچار رمبش شده و سپس طي يك جهش بزرگ))به سمت بيرون منفجر شد.



تغييرات سريع سياه چاله ها

چیزی که باعث تعجب بیشتر اختر شناسان شد این بود که انها دریافتند سرعت نوسانات درخشندگی مشاهده شده در نور مرئی بیشتر از چیزی است که انها در پرتو های ایکس مشاهده کرده اند . به علاوه این تغییرات در نورمرئی و پرتو های ایکس به طور همزمان رخ نمی دهد بلکه از یک الگوی مکرر و قابل توجه پیروی می کند : درست قبل از اشکار شدن یک پرتو ایکس نور مریی تاریک می شود وسپس یک درخشش برای کسری از ثانیه و دوباره کاهش ناگهانی این درخشندگی و ایجاد یک پرتو ایکس.

Fabian Andy يكي از اعضای تیم تحقیقاتی می گوید:" هیچ کدام از این پدیده های تابشی به طور مستقیم از خود سیاه چاله ناشی نمی شوند بلکه به وسیله جریان های پر انرژی و بار داری که درنزدیکی ان قرار دارند به وجود می ایند .محیط اطراف یک سیاه چاله تحت تاثیر نیروهای چون گرانش، میدان مغناطیسی و فشار های انفجاری دائما در حال تغییر است درنتیجه درخشندگی نور ساتع شده از جریان های داغ ماده به شکلی پیچیده ونامنظم تغییرمی کند اما برخلاف این تغییرپذیری بی نظم نور،الگویی که درمطالعات جدید مشاهده شده ساختاری منظم و ثابت دارد بنا براين؛ نتایج این تحقیقات می تواند سر نخ هایی مهم وبا ارزش درموردفرایند های فیزیکی اساسی غالب در این گونه موارد در اختیار ما قرار دهد."

Gandhi می گوید:"قبلا تصور عمده این بود که انتشار نور مریی از همسایگی سیاه چاله ها یک اثر ثانوی است به عبارت دیگر تصور میشد که ابتدا انفجارپرتو ایکس رخ داده و متعاقبا گاز اطراف ان در محدوده مرئی درخشان می شود اما اگر چنین بود هر نوع تغییری در نور مرئی باید پس از تغییر پذیری پرتو ایکس رخ می داد و همچنین درخشش باید بسیار کند تر به اوج می رسید و محو می شد ، در حالی که سریعتر بودن نوسانات نور مرئی توسط هر دو ابزار، مشاهده شده است. اما تغییرات بازده نور مرئی و پرتو ایکس باید علت واحدی داشته باشد "

میدان مغناطیسی قوی بهترین کاندید برای فرایند فیزیکی غالب است.این میدان مغناطیسی می تواند انرژی که از نز دیکی سیاه چاله ازاد می شود را_تا زمانی که یا بر اثر گرمای (چندین میلیون درجه) ساتع شدن پلاسما توسط پرتو ایکس و یا به علت طوفان های ذرات بار داری که سرعتی نز دیک به سرعت نوردارند _تخلیه شود ،در خود ذخیره کند. در نتیجه تغییر پذیری الگوی مشخصه نور مرئی و پرتو ایکس می تواند حاصل تقسیم انرژی بین این دو جزء باشد.

[فلفل نمك]

حفره سياه بررسي وقايع روي داده در اطراف يك سياه چاله از كارهاي جالب براي اغلب اختر شناسان حرفه اي در مراكز بزرگ تحقيقاتي در جهان بوده است. چرا كه اين اجرام ، با اجرام ديگري كه ما مي شناسيم بسيار متفاوت بوده و اين تفاوت موجب ايجاد حس كنجكاوي بسياري در ميان دانشمندان شده است.

ذراتي كه از اطراف اين اجرام به بيرون پرتاب مي شوند بسيار پر انرژي هستند. همچنين طيف الكترومغناطيس گسيلي آنها از محدوده ي امواج راديويي تا اشعه ي x و نيز كاملاً در بر مي گيرد. اين امواج انرژي زيادي دارند و تنها منبع ايجاد چنين تشعشات ، اجرام بسيار سنگين و چگال مي توانند باشند كه همچون يك شتابدهنده ، ذرات را به بيرون پرتاب مي كنند . بايد توجه داشت كه گسيل اين ذرات و انرپي در تمام سطح سياه چال صورت نمي گيرد؛ و مكان هاي خاصي براي گسيل اين ذرات و اين فوتون ها وجود دارد. علت اين امر هم چگال بودن بيش از اندازه ي اين اجرام است كه تغييرات شديدي در فضاي اطراف خود ايجاد مي كنند.

در توضيح اين مطلب بايد گفت كه فضاي اطراف يك سياه چاله با فضاي دور تر از آن و نيز با فضاي اطراف يك جرم كوچك مثل زمين بسيار متفاوت دارد اين تفاوت ويژگيهاي خاصي را نيز براي سياه چاله ايجاد مي كند. براي مثال بايد گفت چيزي كه امروزه فيزيكدانان از آن به عنوان افق رويداد سياه چاله نام مي برند همان تفاوت فضا زماني اطراف يك حفره ي سياه است. در توضيح افق رويداد سياه چاله هم بايد گفت فضايي در اطراف سياه چاله است كه فضا و زمان در دوسري آن بطور فاحشي متفاوت هست.

حال با توجه به اين توضيحات مي توان ايجاد حفره هاي عميتاً فضايي در اطراف سياه چاله ها را توضيح داد. چون حفره فضايي در اثر كشيدگي بيش از اندازه ايجاد و مي شود و اين كشيدگي را نيروي گرانش سياه چاله فراهم مي آورد. حال در زير اين پديده را بطور كامل تر توضيح مي دهيم:

با پايان يافتن عمر يك ستاره هنگامي كه اين ستاره با يك انفجار ابر نو اختري بزرگ مواجه مي شود و مداد سنگين به طرف مركز رانده شده و شديداً متراكم مي شوند. نيروي گرانشي فوق العاده قوي ايجاد مي شود و مقداري از گازهاي رانده شده دوباره جذب مي شود . اين گازها در اثر نيروي گرانش شديد سياه چاله ي ايجاد شده شديداً بر گردش در مي آيد در كنار اين خود سياه چاله نيز به دوران در مي آيد. اين دوران بسيار سريع موجب مي شود نيروي مركز گراي كشنده به طرف قطب هاي سياه چاله متمركز شود .

چنان چه مقدار زيادي از گازهاي اطراف به طرف دو قطب به حركت در مي آيند و در آنجا با سرعت زيادي گردش مي كنند . در اين هنگام كه دوران سياه چاله اندكي ; شدت مي گيرد و بطور كامل رمبيده مي شود نيروي گرانشي شروع به كشيدن فضاي اطراف سياه چاله در مكاني كه اندكي از افق رويداد سياه چاله دورتر است مي كند. اين كشيدگي در قطب هاي سياه چاله بطور بسيار محسوسي انجام مي گيرد . به گونه اي كه در يك لحظه دو حفره ي بسيار عميق كه عمق آن ها هم اندازه و جرم سياه چاله بستگي دارد بطرف سياه چاله ايجاد مي شوند اين دو حفره كه در دو قطب سياه چاله ايجاد مي شوند ذرات را به درون سياه چاله فرو مي برند . ذرات كشيده شده در مكان هايي نزديك به سياه چاله به سرعت نور نزديك مي شوند. اين ذرات شتاب گرفته به چند حالت مختلف در مي آيند يا توسط سياه چاله بلعيده شده و جذب مي شود كه در كنار آن زماني كه به سرعت نور نزديك شدند انواع امواج الكترومغناطيسي را دز طول موج هاي مختلف گسيل مي كنند . بايد توجه داشت چون اين ذرات بطور خاص فقط از درون حفره عبور مي كنند؛ فوتون هاي گسيلي آنها هم در امتداد اين حفره حركت مي كند و بصورت متمركز از درون حفره يا به بيرون پرتاب مي شوند يا به درون حفره مي روند.

همچنين ذراتورودي به حفره ممكن است در اثر سرعت زياد به درون سياه چاله كشيده نشوند و از كنار سياه چاله به بيرون پرتاب شود . دراين حالت اگر اين ذرات به گازهاي اطراف برخورد نكنند مي توانند در مكاني در اطراف خط استواي سياه چاله به بيرون پرتاب شوند. اين ذرات در اين هنگام انرژي بسيار زيادي دارند و با سرعت هاي نزديك به نور در فضا منتشر مي شوند

تشعشعاتي كه از سياه چاله ها به بيرون گسيل مي شود هميشه با يك شدت و در يك فركانس مشخس نيستند زيرا كه اغلب انها در كنار جاذبه ي شديد نيروهاي فرعي بسياري را نيز ايجاد مي كنند و يا اينكه اين نيرو ها از خارج بر انها تحميل مي شود.

به فرض مثال يك سياه چاله ي ثابت پر جرم كه غير از حركت دوراني شديد حركت ديگري ندارد را در مركز يك كهكشان بزرگ در نظر مي گيريم . اين سياه چاله بايستي طبق معمول مركز كهكشان را فعال سازد و انرژي فوق العاده زيادي را در تمام راديو تلسكوپ ها وگيرنده هاي اشعه ي ايكس و فروسرخ و حتي گاما ثبت كند. اين امر براي سياه چاله هاي كوچكتر نيز صادق است. اما چيزي كه بيشتر دانشمندان را متعجب مي سازد اين است كه برخي از اين اجرام بر خلاف معمول گاهي ساكت و گاهي هم بسيار كم صدا هستند. بدين معنا كه انرژي گسيلي انها با وجود شتاب گرانشي شديد در فركانسهاي بسيار پايين ثبت ميشود . همچنين امواجي كه از قطب هاي سياه چاله ها به بيرون گسيل مي شوند بايد انرژي زيادي داشته باشند اما در برخي موارد اين امواج در طول موجهاي بسيار بلند تر ايجاد مي شوند. شايد اين گونه تصور شود كه ماده ي سقوط كرده به داخل انها در سطح پاييني است اما شدت اين امواج به حدي بالا است كه از سقوط ذرات بسيار زيادي در سطح انها حكايت مي كند.

علت پايين بودن فركانس هاي توليدي را بايد در حركت هايي غير از حركت دوراني دانست. يعني سياه چاله ها يي وجود دارند كه به غير از حركت دوراني به صورت هايي مختلف به دور خود مي چرخند. اين چرخش هاي متقارن و غير متقارن از اثر نيروي جاذبه به خصوص در قطب هاي سياه چاله كه در اثر دوران حول محور خود ايجاد شده است به طور چشم گيري مي كاهد و در بسياري از موارد از تشكيل حفره هاي كشنده ي ماده در دو قطب خود جلو گيري ميكند. اين حركت ها احتمالا اغلب در سياه چاله هاي كوچك و ستاره هاي نوتروني بايد وجود داشته باشد . اين نوع حركت باعث مي شود امواج گسيلي در تلسكوپ هاي راديويي بصورت روشن و خاموش با تناوب بسيار منظمي ثبت شوند.

اما برخي سياه چاله هاي فوق سنگين نيز در مركز برخي كهكشان ها با وجود مقدار زياد ماده و گاز در اطراف انها چندان فعال به نظر نمي رسند. يكي از علل اساس دوران كند اين سياه چاله ها مي تواند باشد . چون دوران سريع باعث پرتاب برخي مواد به بيرون شده اطراف سياه چاله را داغ مي كند كه در ان شرايط امواج حرارتي و نيز اشعه ي ايكس به طور شديدي از اطراف سياه چاله ساطع مي شود. در نبود دوران سريع اجرام به ارامي به داخل سقوط كرده و فرار ذرات از داخل به كمترين مقدار مي رسد. اما با توجه به اينكه در اطراف اين سياه چاله ها برخي اجرام ديگر مثل ستارگان بزرگ و سياه چاله هاي كوچك و ستارگان نوتروني نيز حضور دارند. اين اجرام نيز مي مي توانند از گزينه هاي مناسب براي اين امر باشن د. براي مثال همين سياه چاله ي بزرگ را در نظر بگيريد . اگر در اطراف ان چند سياه چاله ي ريز و درشت ديگر را نيز قرار دهيم اوضاع كمي فرق خواهد كرد. تمام گازهايي كه به طرف مركز حركت ميكنند در راه حركت توسط اين سياه چاله ها بلعيده شده و عملا مقدار اندكي ماده وارد سياه چاله ي مادر مي شود در نتيجه اين سياه چاله نمي تواند انرژي قابل توجهي را از خود ازاد كند.

[فلفل نمك]

نيروي برآر در هواپيما در هواپيما اختلاف فشار هوائي كه از روي بال و زير بال مي‌گذرد ايجاد نيروي برآر مي‌كند و با خنثي شدن نيروي وزن، هواپيما به پرواز درمي‌آيد.

بر هواپيمائي كه در حال پرواز يك‌نواخت و مستقيم است چهار نيرو وارد مي‌شود:

نيروي پيش‌رانش كه هواپيما را به جلو مي‌برد.

نيروي برآر ناشي است از شكل بال هواپيما و سرعت هواپيما و همچنين زاويه قرار گيري بال هواپيما نسبت به جريان هوا و هواپيما را به بالا مي‌برد.

نيروي پسار يا نيروي مقاوم هوا كه جهت آن رو به عقب هواپيما است و همواره در مقابل نيروي پيش رانش قرار دارد و مقدار آن بستگي به شكل بال هواپيما و سرعت هواپيما و همچنين زاويه قرار گيري بال هواپيما نسبت به جريان هوا دارد.

نيروي وزن كه هواپيما را به پائين مي‌كشاند.

نيروي پيش‌رانش در خلاف جهت نيروي پسار است و نيروي وزن هواپيما در خلاف جهت نيروي برا قرار دارد. اگر نيروي پيش‌رانش بزرگ‌تر از نيروي پسار يا مقاومت هوا نباشد هواپيما دچار واماندگي خواهد شد و همچنين براي پرواز بايد نيروي برآر از نيروي وزن بيشتر باشد تا هواپيما بتواند از زمين بلند شده و پرواز كند. وزن هواپيما ثابت است (بدون در نظر گرفتن وزن سوخت) ولي در شرايط مختلف پرواز نيروهاي ديگر (نيروي برار و نيروي پسار و نيروي پيش‌رانش) ممكن است تغيير نمايند. مثلاً در هنگام اوج گيري كه زاويه هواپيما نسبت به افق بيشتر است نيروي پسار هم بيشتر خواهد بود. اگر توان موتور يا نيروي پيش‌رانش نتواند نيروي پسار ايجاد شده در اثر افزايش زاويه پرواز هواپيما را جبران كند، هواپيما دچار واماندگي خواهد شد. همچنين نيروي برار هم با افزايش سرعت هواپيما افزايش خواهد يافت و با ارتفاع گرفتن هواپيما در اثر رقيق شدن هوا (در صورت ثابت بودن سرعت هواپيما) كاهش مي يابد.

برآر يا نيروي برآر، نيرويي است كه در اثر حركت ماهيواره در شاره (سيال) ايجاد مي‌شود. پرواز هواپيما در اثر نيروي برآري است كه حاصل از شكل مقطع آيروديناميكي بال‌ آن است، كه اصطلاحاً مقطع ماهيواره دارند، نيروي برآر بال هواپيما به عواملي مانند سرعت هواپيما، مساحت بال، چگالي هوا، و شكل ماهيوارهٔ بال بستگي دارد و مطابق با فرمول زير محاسبه مي‌شود.

كه در اين فرمول:

ρ( V^2) S C(L) = 2L

L نيروي برآر هواپيما،
ρ چگالي هوا،
V سرعت پرواز هواپيما،
S مساحت بال، و
(C(L ضريب برآر است.
برآر را در فارسي «برآ» هم مي‌گويند. واژه «برآر» پيشنهاد فرهنگستان است

پسار برآيند تمام نيروهائي است كه هنگام حركت جسم صلب در شاره در جهت مخالف حركت آن عمل مي‌كنند. اين نيرو را معمولاً مقاومت هوا نيز مي‌گويند، هرچند اين اصطلاح دقيق نيست. پسار القايي درگ القايي نوعي از نيرو ميباشد كه در اثر نيروي برا بوجود مي آيد.هنگامي كه بال با زاويه حمله صفر پرواز ميكند نيروي پسا ر القايي نداريم و پسار موجود تماما يك نيروي اضافي و صرفاً مقاوم است.هنگامي كه زاويه حمله افزايش مييابد بال يك نيرو ايجاد ميكند,مولفه هايي از اين نيرو كه با باد نسبي موازي است پسار القايي ناميده ميشود. همان طور كه ميدانيد وقتي كه بال نيروي ليفت ايجاد ميكند جريان باد را بصورت يك مسير منهني منحرف ميكند.نيروهاي منتجه هنگامي كه با هم جمع شوند نيروي عكس العمل كل را تشكيل ميدهند.اگر نيروي عكس العمل كل درست عمود بر جريان نسبي باد باشد آن وقت نيروي ليفت بدون پسار القايي خواهد بود.اما عملا هيچگاه ميگويد كه بال با بوجود آوردن down wash نيروي ليفت ايجاد ميكند.به عبارت ديگر با عبور هوا از روي بال جريان هوا به سمت پايين منحرف ميشود.نيروي ليفت نيروي عكس العمل در برابر اين حركت به سمت پايين ميباشد.پس down wash منشا اصلي وجود درگ القايي است. عوامل موثر بر روي پسار القايي 1)نماي افقي بال نماي افقي بال مهم‌ترين فاكتور طراحي براي تعيين مقدار پسار القا شده است.معمولاً پيش بيني ميشود كه يك بال با پهناي بلندتر جريان باد را بيشتر به سمت پايين منحرف ميكند تا يك بال با پهناي كوتاهتر.اين خود up wash بزرگ‌تري را در جلوي بال ايجاد ميكند اما اگر طول بال را بلندتر انتخاب كنيم آنگاه كمترين نيروي درگ القايي را خواهيم داشت. 2)زاويه حمله با افزايش زاويه حمله نيروي ليفت بيشتري خواهيم داشت و در نتيجه در انتهاي بال down wash بيشتري خواهيم داشت.با افزايش يافتن down wash ميدان فشاري كه دور بال در حال چرخش است و گرداب هاي نوك را نيز در بر ميگيرد قدرت بيشتري پيدا ميكند كه باعث افزايش up wash و در مهايت درگ القايي ميگردد. 3)زاويه sweep هواپيماي داراي بالهاي جارويي(همگرا)در موقعيت استال جريان هواي بيشتري را به سمت بالها همگرا ميكند.اين عمل به بزرگ‌تر شدن up wash در جلوي بال جارويي نسبت به بالهاي مستقيم مي انجامد و در نتيجه آن زاويه درگ القايي و همچنين زاويه حمله بزرگ‌تر در هنگام استال خواهيم داشت. با محاسبات رياضي نه چندان پيچيده ميتوان فرمولي را براي محاسبه درگ القايي ارايه كرد: D(i)=[2]W2/#peV2b2 با عرض پوزش قرارداد هاي زير را درباره فرمول بالا بپذيريدچون كه علايم جديدي در رياضيات اختراع كردم چون كامپيوترم برنامه فرمول نويسي نداشت: i داخل پرانتز به عنوان زيروند است براي D و در مجموع D با زيروند i معرف درگ القايي است. 2 داخل كروشه ضريب است وبجز آن هر عددي كه ميبينيد معرف توان است. W وزن هواپيماست برحسب نيوتون. / يعني تقسيم.

همان عدد پي است كه هيچ شباهتي با نماد يوناني آن ندارد.

p همان رو يا چگالي هوا است بر حسب Kg/m2. V سرعت هواپيماست برحسب Km/h. b طول بال برحسب m و e عدد كارايي اسوالد است كه براي بالهاي بيضوي 1 وبراي ساير بالها بين0.7 تا 0.9 است برحسبN2h2m/Km2Kg(كه باز هم اعداد توان هستند)عنوان پيوند. واژه «پسار» از پيشنهادات فرهنگستان است و در بيشتر متن‌هاي هوانوردي فارسي به آن «پسا» مي‌گفتند.هواپيما با بال ثابت بيشتر هواپيماهاي امروزي به‌ويژه هواپيماهاي مسافري در اين دسته جاي دارند.

منظور از بال ثابت آن است كه بال هواپيما (بر خلاف هليكوپتر) فقط در اثر پيش‌رانش نيروي برآر ايچاد مي‌كند. اگرچه بال در بعضي هواپيماها براي جاگيري كمتر يا ملاحظات هواپويشي ممكن است باز و بسته شود ولي اين‌گونه هواپيما را نيز داراي بال ثابت مي‌شمارند چون باز وبسته شدن بال ايجاد نيروي برآر نمي‌كند.هواپيما با بال ثابت

بيشتر هواپيماهاي امروزي به‌ويژه هواپيماهاي مسافري در اين دسته جاي دارند.

منظور از بال ثابت آن است كه بال هواپيما (بر خلاف هليكوپتر) فقط در اثر پيش‌رانش نيروي برآر ايچاد مي‌كند. اگرچه بال در بعضي هواپيماها براي جاگيري كمتر يا ملاحظات هواپويشي ممكن است باز و بسته شود ولي اين‌گونه هواپيما را نيز داراي بال ثابت مي‌شمارند چون باز وبسته شدن بال ايجاد نيروي برآر نمي‌كند.

شهپرهاي هواپيماها در چند نوع هستند از جمله شهپرهاي برآفزا كه به افزايش نيروي برآ (نيروي بالابرنده) در پرواز كمك مي‌كنند و شهپرهاي برآكُش كه از نيوري برآ جلوگيري مي‌كنند.

[فلفل نمك]

مكانيك حركت ماهي ها ماهي چگونه حركت مي‌كند؟
بيشتر جانداران اين توانايي را دارند كه انواع مانورهاي حركتي را انجام دهند و همچنين مي‌توانند بخشي و يا همه بدن خود را در وضعيت خاص تعادلي نگهدارند. حركت و تعادل جانداران يك مسئله مهم مكانيكي است. جانداران دستگاه‌ها و ماشين‌هايي هستند كه به كمك نيروهايي به حركت درمي‌آيند و كار را انجام مي‌دهند و ساختمان‌هايي هستند كه تحت اثر نيروهاي وارده در حالت تعادل قرار مي‌گيرند. هر كدام از انواع جانوران داراي اعضاء و دستگاه‌هايي هستند كه حركت و تعادل آنها را امكان‌پذير مي‌سازد. براي نمونه جانوران زميني مانند انسان و چهارپايان به كمك سيستم استخوان‌بندي و ماهيچه‌هاتوانايي انجام حركات گوناگوني بر روي زمين را دارند. جانداران دريايي مانند ماهي‌ها و نهنگ‌ها داراي اعضايي مانند باله‌ها هستند و شكل عمومي آنها طوري است كه براي شرايط دريايي و حركت در آن مناسبت تمام دارد. در كل مي‌توان چنين گفت كه فرم ساختماني و عملكرد هريك از انواع جانوران با شرايط محيطي آن جانور هماهنگي دارد و به عبارت مهندسي، جانوران ماشين‌هايي هستند كه در طبيعت براي شرايط خاص محيطي خود و نيازهاي حياتي وابسته به آن طراحي و ساخته شده‌اند. همچنين رديابي انواع جانوران در طي دوران گذشته اين نتيجه را بدست داده است كه از ديدگاه تكاملي نيز تغييرات فرمي جانوران در طول زمان همواره در جهتي صورت گرفته است كه كارآيي مكانيكي آنها را به عنوان يك كاشين كامل افزايش بدهد.

بررسي و مطالعه مربوط به حركت و تعادل جانوران از ديدگاه مكانيكي داراي وجوه و مسائل مكانيكي مشتركي است كه در مورد انواع جانوران يكسان است. علاوه بر آن حركت و تعادل هريك از انواع جانوران از ويژگي‌هايي برخورداراست كه ويژه آن جانور به‌خصوص است.
از ديدگاه مكانيكي (پويشي) ماهي‌ها چگونه حركت مي‌كنند؟

ماهيان، برحسب شكل، اندازه و چگونگي حركت داراي انواع گوناگوني هستند. انواع گوناگون ماهي براي حركت رو به جلو و انجام مانورهاي حركتي از بخشي و يا تمام بدن خود سود مي‌جويند. اندام محركه در ماهي‌ها داراي حركت نوساني است. به كمك همين حركت نوساني است كه نيروي جلوبرنده ماهي تامين مي‌شود. علاوه بر آن، ماهي‌ها داراي پرده‌هاي غضروفي به‌نام باله هستند كه تعداد و اندازه آنها در ماهيان گوناگون متفاوت است. گذشته از آن، داراي دم‌هاي ارتجاعي و نيرومندي هستند. ماهي‌ها از باله‌ها، دم و يا تمامي بدن براي انجام حركت در آب سود مي‌جويند. براي نمونه حركت مارماهي‌ها به‌كمك امواجي كه در طول بدن آنها انتشار مي‌يابد انجام مي‌شود، ماهي قزل‌آلا از حركات نوساني باله‌ها براي حركت خويش كمك مي‌گيرد. در اره‌ماهي، باله به صورت نواري طويل در طول بدن قرار گرفته و حركت موجي اين باله به ماهي توانايي حركت به پس‌و‌پيش را مي‌دهد.

نه تنها انواع گوناگون ماهي از مكانيزم (سازوكار)هاي گوناگون براي شنا يهره مي‌گيرند، بلكه حتي در يك ماهي خاص نيز مكانيزم‌هاي حركتي در آغاز حركت و در سرعت‌هاي گوناگون متفاوت است. از اين روست كه بيان فرضيه كلي مكانيكي توجيه‌پذير حركت ماهي دشوار است.

اما هدف تمامي اين مكانيزم‌ها و مانورها، ختثي نمودن نيروي مقاوم در برابر حركت روبه‌جلو، يا جهت دلخواه، و ايجاد شتاب مطلوب به بدن جانور است. نكته بسيار مهم در اين است كه اين جانور از شاره (سيال) پيرامون خود، براي ايجاد نيروي محركه كمك مي‌گيرد. بدون وجود شاره پيرامون جانور، حركت آن امكان‌پذير نيست. همانند هواپيما و زيردريايي و برخلاف راكت و موشك كه اندركنش گاز خارج شده به صورت پيشرانه (جت) به بدنه جسم است كه آن را مي‌راند و براي حركت نيازمند شاره‌اي پيرامون خويش نيست.

برخي از انواع ماهيان از حركات موجي تمام بدن خويش در ايجاد نيروي تكيه‌گاهي و محركه سود مي‌جويند و بعضي به كمك حركات باله‌ها و دم به اين هدف مي‌رسند.

در مكانيزم نوع نخست، حركت موجي تمام بدن همچون مارماهي، جركت موجي توسط ماهيچه‌هاي بدن جانور از سر ماهي آغاز شده به‌سوي دم انتشار مي‌يابد. مكانيزم نوع دوم، ايجاد نيروي مجركه به كمك باله و دم، انواع گوناگوني دارد. حركت ماهي به دو نوع حركت خمشي، درون دم حول محور عمود بر صفحه باله، و حركت پيچشي، درون دم حول محور واقع در صفحه باله، تقسيم مي‌شود. در بعضي ماهيان، اين دو مكانيزم به صورت تركيبي با يكديگر به كار مي‌روند.

ماهي در مكانيزم حركتي دم و باله‌ها با حركت نوساني باله‌ها و دم خود گردابه‌هايي ايجاد مي‌نمايد. از ديدگاه مكانيك شاره‌ها، اين گردابه‌ها كه در آب آرام ايجاد مي‌شوند، نمايشگر ميدان‌هاي سرعتي هستند كه بخشي از آب را در حول محورهايي به‌دوران در مي‌آورد.

نتيجه حركت آب نسبت به باله‌ها چنان است كه نيروي جلوبرنده بر بدن ماهي اثر كرده، جانور را پيش مي‌راند. ماهي با حركت باله‌ها و دم، آب را چنان جابه‌جا مي‌كند كه نتيجه آن اعمال نيروي واكنشي از سوي آب به بدن ماهي، در جهت موردنظر است.

نيروي محركه حركت ماهيان، از انرژي كششي كه در ماهيچه‌ها ايجاد مي‌شود تامين مي‌گردد. از ديدگاه مكانيكي، در حركت عادي، مقدار انرژي مفيد توليدي برابر است با حاصل‌ضرب سرعت ماهي در مقاومتي كه آب پيرامون سطوح جانبي بدن ماهي اعمال مي‌دارد. اين مقاومت تا حد بسيار زيادي بستگي به آن دارد كه جانور بتواند بدون ايجاد گردابه‌هاي غير ضروري در آب حركت نمايد. اين مقاومت بستگي به جهت حركت و شكل هندسي بدن ماهي دارد. توان ماهيچه به نيروي كششي ايجاد شده در آن و سرعت انقباض ماهيچه ارتباط دارد و اين توان براي مقدار خاصي از نيروي كششي و سرعت انقباض به بيشينه خود مي‌رسد. سرعت حركت بستگي به طول بدن، بسامد و ارتعاش دم ماهي دارد. هراندازه كه طول بدن ماهي بلندتر باشد، بيشينه بسامد حركت دم بيشتر شده و در نتيجه نسبت بيشينه سرعت به طول، با افزايش طول بدن كم مي‌شود. در نتيجه در سرعت‌هاي برابر 8 تا 10 برابر طول جانور در ثانيه، تنها براي 6 ثانيه ادامه مي‌يابد. سرعت‌هاي عادي (نيم‌متر‌در‌ثانيه) ماهيان كوچك (تا حدود 30 سانتي‌متر) براي مدت بيش از 20 ثانيه قابل تداوم هستند.

[فلفل نمك]

طرز كار راكت هاي فضايي

يكي از عجيب ترين كشفيات انسان دسترسي به فضا است كه پيچيدگي و مشكلات خاص خود را دارد. راه يابي به فضا پيچيده است، چرا كه بايد با بسياري از مشكلات روبرو شد. مثلا:
- وجود خلا در فضا
- مشكلات گرما و حرارت
- مشكل ورود مجدد به زمين
- مكانيك مدارها
- ذرات و باقي مانده هاي فضا
- تابش هاي كيهاني و خورشيدي
- طراحي امكانات براي ثابت نگه داشتن اشيا در بي وزني
ولي بزرگترين مشكل ايجاد انرژي لازم براي بالا بردن فضاپيما از زمين است كه براي درك اين موضوع بايد به بررسي طرز كار موتورهاي موشك پرداخت.
در يك ديدگاه ساده، مي توان موتورهاي موشك را به آساني و با هزينه اي نسبتا كم طراحي كرد و حتي آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهيم مسئله را در سطح كلان بررسي كنيم با مشكلات و پيچيدگي هاي بسياري مواجه هستيم و اين موتورهاي موشك (و به خصوص سيستم سوخت آن ها) آنقدر پيچيده است كه تا به حال تنها سه كشور توانسته اند با استفاده از اين فناوري انسان را در مدار زمين قرار دهند.
در اين مقاله ما موتورهاي موشك هاي فضايي را مورد بررسي قرار مي دهيم تا با طرز كار و پيچيدگي هاي آن ها آشنا شويم.

نكات پايه اي

:

عموما وقتي كسي درباره موتورها فكر مي كند، خود به خود مطالبي درباره چرخش برايش تداعي مي شود.براي مثال حركت متناوب پيستون در موتور بنزيني كه انرژي چرخشي براي به حركت در آوردن چرخ ها را توليد مي كند. و يا موتور الكتريكي كه با توليد ميدان الكتريكي كه با توليد ميدان مغناطيسي نيروي چرخشي براي پنكه يا سي دي رام توليد مي كنند. موتور بخار هم به طور مشابه كار مي كنند.

ولي موتور موشك از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشك ها موتورهاي واكنشي هستند.اساس كار موتور موشك برپايه ي قانون معروف نيوتون است كه مي گويد: "براي هر كنش واكنشي وجود دارد به مقدار مساوي ولي درجهت مخالف آن". موتور موشك نيز جرم را در يك جهت پرتاب مي كند و از واكنش آن در جهت مخالف سود مي برد.
البته تصور اين اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واكنش) ممكن است در ابتدا كمي عجيب به نظر بيايد، چرا كه در عمل بسيار متفاوت مي نماياند. انفجار، صدا و فشار چيزهايي است كه در ظاهر باعث حركت موشك مي شود و نه "پرتاب جرم".
بگذاريد تا با بيان چند مثال تصويري بهتر از واقعيت را روشن كنم:
● اگر تا به حال با اسلحه ي(به خصوص سايز بزرگ آن) shotgun شليك كرده باشيد، متوجه مي شويد كه ضربه ي بسيار قوي اي، با نيروي بسيار زياد به شانه شما وارد مي كند.
يك اسلحه مقدار 1 انس فلز را به يك جهت و با سرعت 700 مايل در ساعت شليك مي كند و در واكنش شما را به عقب حركت مي دهد.
● اگر تا به حال شير آتش نشاني را ديده باشيد، متوجه مي شويد كه براي نگه داشتن آن بايد نيروي بسيار زيادي را صرف كنيد (اگر دقت كرده باشيد گاهي 2 يا 3 آتش نشان يك شير را نگه مي دارند) كه در اين جا شير آتش نشاني مثل موتور موشك عمل مي كند.
شير آتش نشاني، آب را در يك جهت پرتاب ميكند و آتش نشان ها از نيرو و وزن خود استفاده مي كنند تا در برابر واكنش آن مقاومت كنند. اگر آن ها اجازه بدهند تا شير رها شود، شير به اين طرف و آن طرف پرتاب مي شود.
حال اگر آتش نشان ها روي يك اسكيت برد ايستاده باشند شير آتش فشاني آن ها را با سرعت زيادي به عقب مي راند.
● اگر يك بادكنك را باد كنيد و آن را رها كنيد، بادكنك به پرواز در مي آيد، تا وقتي كه هواي داخل آن به طور كامل خالي شود. پس مي توان گفت كه شما يكم موتور موشك ساخته ايد. در اين جا چيزي كه به بيرون پرتاب مي شود مولكول هاي هواي درون بادكنك هستند.
بسياري از مردم فكر مي كنند كه مولكول هاي هوا اهميتي ندارند، در حالي كه اينطور نيست. هنگامي كه شما به آن ها اجازه مي دهيد تا از دريچه بادكنك به بيرون پرتاب شوند، بر اثر واكنش به وجود آمده بادكنك به جهت مخالف پرتاب مي شود.
در ادامه براي درك بهتر موضوع، به مثالي دقيق تر اشاره مي كنم:
● سناريوي توپ بيسبال در فضا:
شرايط زير را تصور كنيد،
مثلا شما لباس فضانوردان را پوشيده ايد و در فضا در كنار فضاپيما معلق مانده ايد و چندين توپ بيسبال در دست داريد. حال اگر شما توپ بيسبال را پرتاب كنيد، واكنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حركت مي دهد.
سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگي دارد. همانطور كه مي دانيم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نيرو است، يعني:
F=m.a
همچنين ميدانيم كه هر نيرويي كه شما به توپ وارد كنيد، توپ نيز نيرويي مساوي ولي در جهت مخالف به بدن شما وارد ميكند كه همان واكنش است. پس مي توان گفت:
m.a=m.a
حال فرض مي كنيم كه توپ بيسبال 1 كيلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضايي هم 100 كيلوگرم باشد. پس با اين حساب اگر شما توپ بيسبال را با سرعت 21 متر در ساعت پرتاب كنيد. يعني شما با دست خود به يك توپ بيسبال 1 كيلو گرمي، شتابي وارد كرده ايد كه سرعت 21 متر در ساعت گرفته است. واكنش آن روي بدن شما تاثير مي گذارد، ولي وزن بدن شما 100 برابر توپ بيسبال است. پس بدن شما با 100/1 سرعت توپ بيسبال (يا 0.21 متر بر ساعت) به عقب حركت مي كند.
حال اگر شما مي خواهيد از توپ بيسبال خود قدرت بيش تري بگيريد، شما دو انتخاب داريد: افزايش جرم يا افزايش شتاب وارده
شما مي توانيد يا يك توپ سنگين تر پرتاب كنيد و يا اينكه شما مي توانيد توپ بيسبال را سريع تر پرتاب كنيد (شتاب آن را افزايش دهيد)، و اين دو تنها كارهايي است كه مي توانيد انجام دهيد.
يك موتور موشك نيز به طور كلي جرم را در قالب گازهاي پرفشار پرتاب مي كند؛ موتور گاز را در يك جهت به بيرون پرتاب مي كند تا از واكنش آن در جهت مخالف سود ببرد. اين جرم از مقدار سوختي كه در موتور موشك مي سوزد بدست مي آيد.
عمليات سوختن به سوخت شتاب مي دهد تا از دهانه خروجي موشك با سرعت زياد بيرون بيايد.
وقتي سوخت جامد يا مايع مي سوزد و به گاز تبديل مي شود، جرم آن تغيير نمي كند بلكه تغيير در حجم آن است. يعني اگر شما مقدار يك كيلو سوخت مايع موشك را بسوزانيد مقدار يك كيلو جرم با حجمي بيشتر، از دهانه خروجي موشك با دماي بالا و سرعت زياد خارج مي شود. عمليات سوختن، جرم را شتاب مي دهد.
بياييد تا بيش تر درباره ي نيروي پرتاب بدانيم:
نيروي پرتاب

قدرت موتور يك موشك را نيروي پرتاب آن مي گويند. نيروي پرتاب در آمريكا به صورت

(پوند) ponds of thrust
و در سيستم متريك با واحد نيوتون شناخته شده است (هر 4.45 نيوتون نيروي پرتاب برابر است با 1 پوند نيروي پرتاب).
هر يك پوند نيروي پرتاب (4.45 نيوتون) مقدار نيروي است كه مي تواند يك شي 1 پوندي (453.59 گرم) را در حالت ساكن مخالف نيروي جاذبه زمين نگه دارد.
بنابر اين در روي زمين شتاب جاذبه 21 متر در ساعت در ثانيه (32 فوت در ثانيه در ثانيه) است.

[فلفل نمك]

از واگن در حال حركت چگونه بايد پريد؟ از واگن در حال حركت چگونه بايد پريد؟

اگر از كسي سوال كنيد كه از واگن در حال حركت چگونه بايد پريد؟ چنين جوابي خواهيد شنيد: رو به جلو. اما اگر از او بخواهيد كه درباره پاسخ خود توضيح دهد، او با اعتماد كامل شروع به استدلال مي‌كند و اگر شما حرف او را قطع نكنيد، خودش به زودي سكوت اختيار مي‌كند، زيرا بنابر قوانين سرعت نسبي واقعا او بايد به عقب بپرد.

هنگام پريدن چه اتفاقي مي‌افتد؟

وقتي ما از واگن در حال حركت مي‌پريم، بدنمان داراي همان سرعت واگن است و به جلو حركت مي‌كند، (طبق قانون اول نيوتن: اگر برآيند نيروهاي وارد بر جسمي صفر باشد، اگر آن جسم ساكن باشد، ساكن مي‌ماند و اگر متحرك باشد به حركت يكنواخت خود ادامه مي‌دهد) پس وقتي به جلو مي‌پريم، نه تنها اين سرعت را از بين نمي‌بريم، بلكه آن را افزايش مي‌دهيم.

از اينجا نتيجه مي‌شود كه بايد به عقب پريد نه به جلو و در جهت حركت واگن، زيرا ضمن پريدن به عقب سرعت حاصله از پرش از سرعتي كه بدن ما با آن حركت مي‌كند (سرعت قطار) ، كم مي‌شود در نتيجه بدن ما پس از تماس با زمين با نيروي كمتري به جلو خواهد افتاد.

به عقب نپريد!

اصل مطلب در ناتمام گذاشتن توضيحات است، ما چه به جلو بپريم و چه به عقب ، خطر افتادن ما را تهديد مي‌كند. اهميت اصلي مساله در اين است كه خطر افتادن به جلو از خطر افتادن به عقب كمتر است. در مورد اول ما با يك حركت عادي پا را جلو مي‌گذاريم و چنانچه سرعت واگن زياد باشد، چند قدم مي‌دويم و بدين وسيله از افتادن جلوگيري مي‌كنيم. اما هنگام افتادن به عقب اين حركت نجات‌بخش پاها وجود ندارد و به همين دليل خطر به مراتب بيشتر است. اين مطلب نيز اهميت دارد كه وقتي ما به جلو به زمين مي‌خوريم، با قرار دادن دستها به جلو كمتر از زمين خوردن به عقب صدمه مي‌بينيم.

پريدن از واگن با يك ساك

روشن است كه آنچه گفته شد براي اجسام بي‌جان صادق نيست و خطر شكستن يك بطري وقتي از يك واگن در حال حركت به جلو ، به عقب پرتاب شود، كمتر از حالتي است كه بطري به جلو (در جهت حركت واگن) پرتاب شود.

پس چنانچه لازم باشد به دليلي از واگن بپريد و بخواهيد قبلا باري را كه با خود داريد پرتاب كنيد، بايد بار را به عقب پرتاب كنيد و خودتان به جلو بپريد.

[فلفل نمك]

ماهواره ( Satellite ) فرض كنيد روي قله يك كوه با يك توپ جنگي گلوله اي را پرتاب مي كنيد. ( بدون در نظر گرفتن مقاومت هوا ) هر چه نيروي پرتاب كننده بيشتر باشد ، سرعت گلوله بهنگام خروج از لوله بيشتر خواهد بود و گلوله مسافت بيشتري طي خواهد كرد تا با نيروي جاذبه زمين سقوط كند . حال اگر سرعت پرتاب به 7.9 كيلومتر در ثانيه ( 2800 كيلومتر در ساعت ) برسد ، گلوله ديگر به زمين سقوط نخواهد كرد و با همان سرعت دور زمين ( در مدار دايره اي شكل ) خواهد چرخيد. در اين حالت گلوله تبديل به يك ماهواره شده و اگر نيروي اصطحكاك هوا نباشد ، گلوله تا ابد در مدار زمين باقي مي ماند ولي بخاطر وجود اصطحكاك هوا در ارتفاعات كم ، سرعت گلوله كم شده و در نهايت سقوط خواهد كرد. اگر سرعت پرتابه را افزايش دهيم ، مدار حركت گلوله دور زمين از حالت دايره به حالت بيضي شكل تغيير خواهد كرد و با افزايش سرعت ، مدار حركت بيضي تر خواهد شد

براي قرار دادن ماهواره در مدار بالايي و دايره اي شكل بدور زمين از موشك هاي 2 مرحله اي استفاده مي كنند. به اين صورت كه موشك پس از بلند شدن و در ارتفاع كم ، مسير مستقيم خود را كج مي كند تا در مدار زمين قرار گيرد. در اين لحظه موتور مرحله اول از موشك جدا مي شود. همين لحظه موتور مرحله دوم روشن مي شود و موشك در مدار بيضي شكل دور زمين شروع به گردش مي كند. موتور مرحله دوم خاموش مي شود و وقتي موشك به نقطه اوج ( دورترين نقطه از زمين مدار بيضي از زمين) رسيد ، موتور دوم يكبار ديگر روشن مي شود تا موشك در مدار دايره اي شكل بزرگ قرار گيرد. در همين لحظه ماهواره از موتور دوم جدا مي شود و سپس با همان سرعت اوليه كه از موشك در حال حركت جدا شده ، در مدار دايره اي شكل دور زمين مي گردد .

ارتفاع ماهواره ها از سطح زمين :

ماهواره هاي جاسوسي را اغلب در ارتفاعات كم ( 480 تا 970 كيلومتري) قرار مي دهند. اين ماهواره ها مي توانند در عرض كمتر از دو ساعت دور زمين گردش كنند و عكس هاي دقيق از مراكز نظامي بگيرند.

ماهواره هاي علمي در مدارات مياني ( ارتفاع 4800 تا 9700 كيلومتري) قرار داده مي شوند. از اين ماهواره ها براي تحقيق در مورد مهاجرت حيوانات و بررسي فعاليت آتشفشانها استفاده مي شود.

ماهواره هاي سيستم موقعيت يابي جهاني (GPS ) در ارتفاع 10000 تا 2000 كيلومتري قرار داده مي شوند.

ماهواره هاي ارتباطي مثل ماهواره تلويزيوني را در ارتفاع 35786 كيلومتري قرار مي دهند. زمان گردش ماهواره هايي كه در اين ارتفاع قرار مي گيرند ، با زمان چرخش زمين يكي است . به همين دليل براي دريافت اطلاعات از اين ماهواره ها ، نيازي به جابجايي مكرر گيرنده زميني ( بشقاب ماهواره ) نيست.

كره ماه ( ماهواره طبيعي زمين ) هم ارتفاع ( فاصله ) حدود 384000 كيلومتري از سطح زمين در حال گردش بدور زمين است ، داراي سرعتي معادل 1 كيلومتر در ثانيه است . با اين فاصله و سرعت زمان يك دور گردش ماه بدور زمين حدودا 28 روز طول مي كشد كه همان طول ماه قمري است .

رابطه سرعت با ارتفاع :

همانطور كه مي دانيد با افزايش ارتفاع از سطح زمين ، نيروي جاذبه كم مي شود. هر مدار دايره اي ماهواره ، سرعت مخصوصي دارد كه به آن سرعت پايداري مدار مي گويند. در اين سرعت نيروي جاذبه با نيروي گريز از مركز در حالت تعادل قرار دارند. اگر سرعت ماهواره را به كمتر از سرعت پايداري كاهش دهيم ،‌ نيروي جاذبه بر نيروي گريز از مركز غلبه كرده و ماهواره به مدار پايين تر ( ارتفاع كمتر ) سقوط خواهد كرد و بالعكس اگر سرعت ماهواره را افزايش دهيم ، نيروي گريز از مركز بر نيروي جاذبه غلبه كرده و ماهواره در مدار بالاتر ( بيضي كشيده ) قرار مي گيرد.

ارتفاع از سطح زمين ( كيلومتر )
سرعت پايداري مدار گردش
زمان يك گردش كامل بدور زمين
200
7.78 ( كيلومتر در ثانيه )
88 دقيقه
500
7.61 ( كيلومتر در ثانيه )
94 دقيقه
1000
7.35 ( كيلومتر در ثانيه )
105 دقيقه
10000
4.93 ( كيلومتر در ثانيه )
حدود 6 ساعت
100000
1.94 ( كيلومتر در ثانيه )
حدود 4 روز
1000000
0.63( كيلومتر در ثانيه )
حدود 4 ماه

با كاهش سرعت ماهواره پس از پايان ماموريت ، ارتفاع آن كم مي شود تا وارد جو شود. از آنجا كه سرعت گردش ماهواره در هنگام برخورد به ملكولهاي هواي جو هنوز بسيار زياد است ، دماي سطح ماهواره آنقدر بالا مي رود كه قطعات آن آتش گرفته و ميسوزند .

البته برخي قطعات نسوخته ماهواره ها يا موشكها در مدار زمين باقي مي مانند . اين قطعات بخاطر سرعت زيادي كه در گردش بدور زمين دارند ، براي ديگر ماهواره ها و نيز موشك ها و شاتل هاي فضايي بسيار خطرناك هستند بطوريكه اگر يك قطعه كوچك ( به اندازه يك توپ پينگ پنگ ) به شاتلي اصابت كند ، مانند يك خمپاره عمل خواهد كرد و ممكن است شاتل را منفجر كند ! دانشمندان سعي مي كنند ماهواره ها را از موادي بسازند كه در هنگام برخورد با جو كاملا بسوزند و قطعات خطرناك آنها در جو باقي نماند

[فلفل نمك]

آكوستيك (Acoustic) چيست؟ كسي كه از مباحث علم فيزيك اطلاع داشته باشد، مي‌داند كه موضوع ارتعاش و موج در اغلب مباحث فيزيك و مكانيك يا بطور مستقيم وارد است يا وسيله و ابزاري براي استدلال و فهم موضوعات ديگر است. اگر گفته شود كه: بدون اطلاع از خواص ارتعاشات تحصيل علم فيزيك و مكانيك كلاسيك غير ممكن است شايد سخني به اغراق گفته نشده است.

اما موضوع ارتعاشات و فيزيك امواج مخصوص نور و صوت اهميت اساسي دارند، زيرا در حقيقت موضوع قسمتهاي عمده و مختلف اين دو علم جستجو در خواص ارتعاش و موج چيز ديگري نيستند.

تاريخچه:

زندگي پر از صداست و ما هميشه طالب شنيدن صداهاي خوش و حياتي هستيم و از صداهاي نا مطبوع و خطرناك گريزانيم. بطور كلي بايد گفت كه هر چه پيش مي دويم، بشر نسبت به حس شنوايي بيشتر توجه پيدا مي‌كند. پيشرفت روز افزون صنايع صوت از قبيل: تلفن ـ راديو ـ فونوگراف ضبط صوت روي فيلم و تهيه فيلمهاي صدا دار و غيره خود مي‌تواند بر اين موضوع دليلي مسلم باشد.

از نظر اهميتي كه آكوستيك يا علم صدا دارا مي‌باشد مي‌توان انتظار داشت كه اين موضوع در تاريخ علوم فيزيك جزو مطالب اساسي به شمار رفته باشد، در صورتي كه چنين چيزي نيست، زيرا در قبال تاريخ ساير علوم ، تاريخ آكوستيك قسمت از قلم افتاده و مهجوري بيش نيست. يكي از دلايل اين مهجوريت تاريخي اين است كه نظريه اساسي اصلي راجع به انتشار و اخذ صوت از زمانهاي بسيار قديم در تحولات فكر بشري پيدا شده و اسلوب اين فكر همان است كه امروزه مورد قبول ماست. قسمتهاي عمده علم آكوستيك عبارتند از:

توليد صوت:

وقتي كه به يك جسم جامد ضربه وارد مي‌سازيم، توليد صدا مي‌كند. تحت بعضي از شرايط صداي حاصل ، بگوش انسان خوش آيند و مطبوع است و اين در واقع اساس پيدايش علم موسيقي است كه ساليان دراز قبل از تاريخ ضبط صوت ، موجود بوده است، اما موسيقي ، قرنها قبل از نظر علمي مورد تحقيق قرار گيرد، جزو صنايع ظريفه محسوب مي‌گرديد. اين مطلب مورد قبول عموم است كه اولين فيلسوف يوناني كه مبناي موسيقي را برسي نموده است. فيثاغورث مي‌باشد كه 6 قرن قبل از ميلاد زندگي مي‌كرده است.

انتشار صوت :

از مشاهداتي كه در قديم الايام شد. و بدست ما رسيده معلوم مي‌شود كه صوت بوسيله آزمايش‌هاي مربوط به هوا از يك نقطه به نقطه ديگر منتقل مي‌گردد. در حقيقت ارسطو اصرار داشت كه حركت آزمايش‌هاي مربوط به هوا در نقل و انتقالات صوت موثر است ولي اين موضوع مانند ساير مطالبي كه در فيزيك بيان نموده است همراه با ابهام است. چون در موقع انتقال صوت ، آزمايش‌هاي مربوط به هوا حركتي نمي‌كند، بنابراين جاي تعجب نيست كه بگوييم كه فلاسفه ديگر معاصر ارسطو اين عقيده او را تكذيب نمودند.

به همين ترتيب در زمان گاليله ، يك فيلسوف فرانسوي گاساندي ( Gassandi ) ، انتشار صوت را جرياني از اجزا كوچك غير مرئي بسيار ريز مي‌دانست كه از جسم صدادار برخاسته و پس از عبور از آزمايش‌هاي مربوط به هوا بگوش ما رسيده و آنرا متاثر مي‌سازد. اولين كسي كه تجربه زنگ زير سرپوش خالي از آزمايش‌هاي مربوط به هوا را امتحان كرد، آتانازيرس ، كيرثر ( Jesuit Athanasuis Kircher ) مي‌باشد.

از ابتداي تاريخ آكوستيك تا به امروز ، تنها گيرنده صوتي مفيد و جالب توجهي كه دائما به كار رفته عبارت از گوش انسان مي‌باشد. از اينرو قسمت عمده موضوع اخذ صوت به مطالعه و بررسي خواص آكوستيكي اين عضو انحصار يافته است. جالب توجه اين است كه تا بحال يك نظريه كامل و قابل قبولي راجع به كيفيت شنوايي پيدا نشده است و موضوع شنوايي انسان يكي از مسايل پيچيده و گيج كننده علم جديد پيسكو فيزيك ( Psycho Physics ) مي‌باشد.

ارتباط صوت و ارتعاش:

تجربيات يوميه نشان مي‌دهد كه احساس شنيدن وقتي براي ما پيدا مي‌شود كه شي كه در مجاورت ما واقع شده است به ارتعاش در آيد. مثلا اگر پهلوي ما جامي فلزي قرار داشته باشد چنانچه با يك قطعه فلز به بدنه جام بزنيم صدايي از آن به گوش مي‌رسد، و اگر با دقت به آن نگاه كنيم ملاحظه مي‌گردد كه در حين صدا دادن لبه جام غير واضح مي‌باشد و اين علامت ارتعاش سريع است.

اگر در اين هنگام پاندول سبك وزن ساده‌اي را به بدنه جام نزديك كنيم ضربه‌هاي پشت سر هم بدنه جام را روي پاندول كه دليل ارتعاش آن است بخوبي مشاهده مي‌كنيم. اما بعضي اوقات ارتعاش به اندازه‌اي سريع است كه با چشم ديده نمي‌شود و بايد با وسايل مختلف از قبيل وسيله فوق وجود آنرا در اجسام ظاهر ساخت.

آيا فقط آزمايش‌هاي مربوط به هوا وسيله انتقال صوت است؟

علاوه بر آزمايش‌هاي مربوط به هوا جامدات و مايعات نيز براي صوت ناقل خوبي هستند. هر كس مي‌داند كه با گذاشتن گوش خود بزمين مي‌تواند حركت عابرين پياده و چهارپايان را از مسافت نسبتا زيادي بشنود. همچنين اگر گوش خود را به ريل راه ‌آهن بچسبانيم حركت لكوموتيو و قطار را ممكن است از چندين كيلومتر بشنويم. خاصيت انتقال صوت در جامدات و مايعات قويتر از خاصيت مزبور در گازها مي‌باشد.

اغلب ديده‌ايم كه با وجوديكه پهلوي ريل راه ‌آهن ايستاده‌ايم ، صداي حركت قطاري را كه دور از ما واقع شده است نمي‌شنويم، و اگر بخواهيم صداي حركت قطار مزبور را بشنويم يا بايد گوش خود را به ريل بچسبانيم و يا اينكه يك سر ميله چوبي و يا فلزي را به ريل چسبانده و سر ديگر را روي گوش خود بگذاريم، طوريكه در هر دو حالت استخوان خارجي گوش به ارتعاش در آيد. به همين دليل است كه دياپازون را روي جعبه مخصوص قرار مي‌دهند تا صدايش قوي شود.