شعبده علمی

شعبده علمی: نگهدارنده عجیب بطری

نوشابه شعبده علمی
نوشته شده توسط محمد حسین نیرین

در ویدئو کلیپ زیر، مشاهده می‌کنید که گویا کسی دارد به شما می‌گوید کریس آنجل شده‌اید و می‌توانید به طور خارق‌العاده‌ای یک بطری بزرگ و پر از نوشابه را معلق نگاه دارید.

در ابتدا نظر شخصی خود را می‌گویم که اینطورها هم نیست. یعنی کاری که در این کلیپ نشان داده می‌شود آنقدرها نیز چیز خارق‌العاده‌ای نیست. اگر دست خالی این کار را می‌کردید یک چیزی، اما با توجه به قطعه چوب با اندازه‌های دقیقی که لازم است، چندان هم کار جالبی نیست. اما اگر به آن به چشم یک آزمایش علمی نگاه کنیم، بسیار جالب می‌شود.
همه‌چیز به گرانش بر می‌گردد و یک مسأله‌ی مهم در طراحی‌های مهندسی، یعنی مرکز جرم. برای محاسبه‌ی اینکه نیروی وزن اجسام به کدام نقطه از این جسم وارد می‌شود، نقطه‌ای به نام مرکز جرم در نظر گرفته می‌شود. مرکز جرم نقطه‌ای است که اگر تمام جرم آن جسم را در آن نقطه متمرکز کنیم، رفتار جسم یکسان خواهد بود.
اگر طنابی به گوشه‌ای از یک جسم ببندید و آن را از نقطه‌ای آویزان کنید، جسم طوری ساکن می ایستد که مرکز جرمش جایی در امتداد طناب قرار بگیرد. اینطور نیروی وزن و نیروی کشش طناب با یکدیگر خنثی می‌شوند.
به عبارتی دیگر، اگر این جسم در موقعیت دیگری قرار بگیرد، نیروی وزن آنقدر آن را می‌چرخاند که مرکز جرمش با طناب در یک راستا واقع شوند.
با مفهوم گشتاور حتماً آشنا هستید. الاکلنگ یا دیلم را در نظر بگیرید، نیروی وزن افراد در الاکلنگ، با توجه به فاصله‌ی نقطه‌ی اثر نیرو از لولا، موجب ایجاد گشتاور حول لولا شده و الاکلنگ را پیرامون این نقطه می‌چرخاند. مقدار گشتاور ایجاد شده،‌ برابر با حاصلضرب اندازه‌ی نیرو در فاصله‌ی عمودی نیرو تا لولاست. حال اگر قرار باشد یک الاکلنگ در هوا ساکن بایستد، باید گشتاورهای دو سمت آن با یکدیگر برابر شوند. یعنی وزن فرد سمت راست ضرب در طول میله‌ی سمت راست با وزن فرد چپ ضرب در طول میله‌ی سمت چپ برابر شود.

diagrams-01

اگر طول بازو‌ها یعنی فواصل افراد از لولا برابر باشد، شخص سنگین‌تر پایین آمده و به زمین برخورد می‌کند. حال تصور کنید زمین وجود نداشت، یا الاکلنگ در ارتفاع چند متری زمین نصب می‌شد و می‌توانست به طور کامل بچرخد. در این حالت سیستم می‌چرخد و در حالت خاصی ثابت می‌ایستد که به آن تعادل می‌گویند. اگر طول بازو‌ها برابر باشد این وضعیت تعادل در حالتی است که میله‌ی الاگلنگ به طور عمودی ایستاده، یعنی اجسام و لولا در یک خط عمودی واقع شوند. (چرخش را بسیار آرام تصور کنید، یعنی نگذاریم سیستم سرعت بگیرد که این سرعت موجب بالا آمدن مجدد شود. در غیر این صورت سیستم تبدیل به یک آونگ می‌شود و تا رسیدن به حالت پایدار نوسان خواهد کرد. هرچند پس از میرایی نوسانات باز در حالت مورد بحث قرار خواهد گرفت.)
اگر کل بازوی الاکلنگ و افراد روی آن را یک جسم تصور کنیم، مرکز جرم که جایی بین دو فرد و روی میله‌ی الاکلنگ واقع می‌شود، با نقطه‌ی آویز یعنی لولا در یک راستا واقع شوند.

diagrams-02

تا وقتی که حول نقطه‌ی تکیه‌گاه گشتاور وجود داشته باشد، جسم می‌چرخد! پس برای پایداری، مجموع گشتاورهای وارد به جسم حول این نقطه باید صفر شود. برای صفر کردن گشتاورها راه ساده این است که بازوی گشتاور، یعنی فاصله‌ی عمودی نقطه‌ی اثر نیرو با تکیه‌گاه، صفر شود. وقتی مرکز جرم با تکیه‌گاه در یک راستای عمودی واقع می‌شوند، این اتفاق رخ می‌دهد. یعنی فاصله‌ی عمودی نقطه‌ی اثر نیرو و تکیه‌گاه صفر می‌شود و اصطلاحاً می‌گویند نیرو از امتداد خط واصل نقطه‌ی اثر و نقطه‌ی تکیه‌گاه می‌گذرد.
با این توضیحات احتمالاً متوجه دلیل این آزمایش شده‌اید. این تکه چوب با پارامتر‌هایی مانند طول، مکان حفره، وزن خود چوب و زاویه‌ی شیب برش پایه، این سیستم متشکل از تکیه‌گاه چوبی و بطری نوشابه را طوری تنظیم می‌کند که مرکز جرم آن دقیقاً در یک راستا و بالای نقطه‌ی تکیه‌گاه واقع شده و به همین دلیل گشتاوری در اثر نیروی وزن ایجاد نشود. با این روش و محاسباتی ابتدایی اما دقیق می‌توانید هر جسمی را روی هوا نگه دارید.

درباره نویسنده

محمد حسین نیرین

دیدگاه شما چیست