کاربرد ثقل | ثقل یا جاذبه چیست؟

 

ثقل یا جاذبه چیست؟

« سر اسحاق نیوتون » (۱۷۲۷-۱۶۴۲ ) ،یکی از بزرگ ترین دانشمندان تمام اعصار ، علاقمند شده بود که در مورد ثقل مطالب بیشتری بداند.

هنگامی که وی در دانشگاه کمبریج مشغول تحصیل بود،نیرویی را که ماه را در مدار زمین نگه می دارد توجه او را جلب کرده بود. اومتعجب بود که چرا ماه در آسمان آزادانه حرکت نمی کند؟در داستانی نقل شده است که نیوتون جرواب این معما را در زیر یک درخت سیب یافت. در چنین حالی ، ناگهان یکی از سیب ها بر سر او افتاد . « نیوتون » از خود پرسید :« چرا این سیب بر زمین افتاد ؟ چرا در هوا شناور نشد؟ » بعد از مطالعات زیاد و بحث و و جدل با دیگر دانشمندان ، سرانجام وی دریافت که دلیل افتادن سیب آن بوده که زمین آن را به سمت خود جذب کرده است . او این نیروی جاذبه را ثقل نامید . کشش ثقل زمین بر یک شیء وزن آن شیء نامیده می شود.

اثر نیروی ثقل بر احسام سبک ، کم و بر اجسام سنگین ، زیاد است ؛ بعبارت دیگر ، هرچه  جرم جسم بیشتر باشد ، اثر نیروی ثقل یا وزن آن بیشتر است و بالعکس.

در کره ی ماه ، مقدار ثقل یک ششم مقدار آن در زمین است . فضانوردان برای انکه بتوانند بر روی سطح خاکی کره ی ماه قدم بزنند به چکمه های سنگینی نیاز دارند ، چرا که در آنجا وزن آنها یک ششم وزنشان در زمین است!

 

کاربرد ثقل | مرکز ثقل چیست؟
کاربرد ثقل | مرکز ثقل چیست؟

پیدا کردن مرکز ثقل اشکال نامنظم

بعضی از اشکال نامنظم و غیر هندسی هستند که نمی توانید با استفاده از دستهایتان مرکز ثقل آنها را پیدا کنید . در این موارد از روش دیگری استفاده می شود. یک توپ تنیس کهنه را روی دهانه ی یک قوطی خالی بگذارید . از یک تکه مقوا تعدادی شکل هندسی و غیر هندسی ببرید و به ترتیب آنها را در روی توپ بهد حال تعادل در آورید . مرکز ثقل کدام یک از اشکال در مرکز آنهاست ؟ آیا قبل از آزمایش می توانید مرکز ثقل آنها را حدس بزنید؟

گِرانیگاه یا مَرکَز ثِقْل (به انگلیسی: Center of mass) یک دستگاه از ذرات، در فیزیک، نقطهٔ مشخصی است که در بسیاری از مسائل سیستم طوری رفتار می‌کند که گویی همه جرم آن در آن نقطه متمرکز است. گرانیگاه فقط تابعی از جای و جرم ذراتی است که سامانه صلب را تشکیل می‌دهند.

در صورتی که ذرات سیستم تا حدودی آزادانه در کنار هم باشند، مانند مجموعه ساچمه هایی که از تفنگ ساچمه‌ای شلیک شده، گرانیگاه نقطه‌ای در فضا و بین گلوله‌ها است که ممکن است روی هیچ کدام از آن گلوله‌ها واقع نباشد.

گرانیگاه یک جسم همیشه روی مرکز هندسی آن نیست. و نقطهٔ دیگری می‌تواند گرانیگاه جسم باشد.

گرانیگاه معمولاً مرکز ثقل هم گفته می‌شود، چرا که هر میدان یکپارچهٔ گرانشی(g) روی هر سیستمی طوری عمل می‌کند که گویی جرم آن سیستم متمرکز روی گرانیگاهش (R) است. این حداقل در دو طریق قابل مشاهده‌است:

انرژی پتانسیل گرانشی یک سیستم برابر است با انرژی پتانسیل یک ذره  نقطه‌ای دارای جرم کل M، که در Rقرار دارد.
گشتاور گرانشی روی یک سیستم برابر است با یک گشتاور نیروی Mg که در R عمل می‌کند.
R × Mg = ∑ mi ri × g

گرانیگاه گاهی مرکز ثقل هم گفته می‌شود. به دلیل اینکه، در بسیاری موارد، احتمال دارد گرانش به نظر یکنواخت بیاید. در مورد یک جسم بسیار بزرگ نیروهای نابرابر (ناموازی) قابل توجه (حائز اهمیت) است. پس مرکز ثقل جاییکه یکی باید نیروی برابر اعمال کند کمی از گرانیگاه منحرف می‌شود. این است دلیل تمایز میان گرانیگاه و مرکز ثقل.

نویسندگان پیشین کمتر دقت می‌کردند. در حالیکه گرانش یکنواخت نیست. «مرکز ثقل» از گرانیگاه منحرف می‌شود. این عادت به نظر می‌آید که به یک مرکز ثقل خوش تعریف برای زمینه‌های نایکنواخت دلالت کند. ولی چنین چیزی وجود ندارد. حتی وقتی روی نیروهای جزر و مدی (کشند) در سیارات کار می‌شود کافی است استفاده از مرکز برای پیدا کردن حرکت همه چیز. برای تکرار برای زمینه‌های نایکنواخت، حقیقتاً یک چیز نمی‌تواند در مورد گرانیگاه صحبت کند.

 

بالانس کردن صحیح هواپیما یک امر بسیار مهم برای داشتن یک پرواز ایمن است. به دلیل اینکه نداشتن یک مرکز ثقل صحیح به خودی خود باعث غیرقابل کنترل بودن هواپیما می شود.  مرکز ثقل را به صورت مخفف با CG یا است.CoG نشان می دهند که به معنای

هر هواپیمایی یک مرکز ثقل مشخص دارد و نقطه میانگینی است که تمامی نیروهای گرانش در آن  نقطه بر هواپیما عمل می کنند و هواپیما در این نقطه نیروها را بالانس می کند که از نظر فنی تعادل طولی نامیده می شود

قبل از اینکه وارد جزییات مرکز ثقل هواپیما شویم لازم است بدانیم مرکز ثقل چیست؟

به طور کلی مرکز ثقل یک جسم مرکز توزیع وزن آن جسم است بدین معنی که اگر این جسم حول مرکز ثقل آن چرخیده شود در این نقطه به تعادل می رسد. یک آکروبات باز را در نظر بگیرید. کفش های آکروبات بازان به سکوی چرخش چسبانده شده است و وزن نفر آکروبات کار با وزنه طرف دیگر یکسان است این بدین معنی است که مرکز ثقل(یا همان مرکز چرخش) دقیقا در وسط قرار می گیرد.

هنگامی که آکروبات باز به راست می چرخد این چرخش تا جایی صورت می گیرد که وزن آکروبات باز با وزنه مقابل برابر شود و به حالت تعادل برسند.

حال چنانچه وزنه را کمی سنگین تر از وزن آکروبات باز انتخاب کنیم CG تغییر می کند و دیگر محل CG و محل چرخش یکسان نیست. در شکل زیر مشاهده می کنید که به دلیل سنگین تر بودن وزنه CG به سمت وزنه حرکت کرده و در زیر مرکز چرخش قرار گرفته است.

روش تعیین مرکز ثقل

برای تعیین CG یک جسم می توانید از یک روش نسبتا ساده استفاده کنید. یک نخ محکم را که به انتهای آن یک وزنه آویزان شده است را تهیه کنید. ابتدا جسم را در حالت معلق بر روی یک تکیه گاه همانند شکل زیر قرار دهید

سپس با استفاده از یک ماژیک دو خط را در حالت های مختلف در امتداد نخ در حالت عمودی رسم کنید. محلی که این دو خط همدیگر را قطع می کنند CG جسم است. برای اطمینان یک خط سومی نیز رسم کنید

دقت کنید که هرچه مرکز ثقل پایین تر باشد تعادل جسم مورد نظر در فشار دادن ها و یا چرخش ها بیشتر است و بخاطر همین مرکز ثقل ماشین های مسابقه ای را بسیار پایین در نظر می گیرند تا هنگام چرخش در پیچ ها به آسانی دور بزند

دقت کنید که پهنای جسم مورد نظر نقش مهمی در CG و میزان تعادل آن دارد.

تا اینجا با مفاهیم مرکز ثقل و نحوه تعیین آن در اجسام مختلف آشنا شدیم. در جلسه بعد به طور کامل با نحوه تعیین CG در هواپیمای مدل و تعادل آن بحث می کنیم.

 

پاسخ بدهید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.