توپ تعادلی

چكیده

توپ را با جریان باد در هوا معلق کنید.

وسایل لازم

• یك سشوار
• یك توپ پینگ پنگ
• كاغذ رشته شده
• یك جا برای نگهداری سشوار (اختیاری)

دیدن توپی كه در یك فشار هوای غیر قابل دیدن معلق شده، منظره بسیار زیبایی است. وقتی می خواهید كه توپ را از جلوی باد بر دارید می توانید نیرویی كه آنرا به داخل می كشاند را حس كنید. همچنین می توانید احساس كنید كه باد به وسیله توپ منحرف می شود. این بار نیرویی كه هواپیما را از زمین بلند می كند را به شما نشان می دهیم.

روش کار:

جریان هوا به سمت بالا را به وسیله سشوار درست كنید. با دقت توپ را بالای این جریان متعادل كنید. حالا به آرامی توپ را از جریان بیرون بكشید. توجه كنید كه وقتی نیمی از توپ از جریان خارج شده است می توانید نیرویی كه توپ را به داخل جریان هوا می كشاند، حس كنید. توپ را رها كنید و به نوسان توپ به جلو و عقب حول مركز جریان هوا توجه كنید.

با یك دست كمی توپ را از جریان هوا خارج كنید و با دست دیگر كاغذ رشته شده را در جریان هوا نگه دارید به شكل جریان در بالای توپ دقت كنید. دقت كنید كه جریان هوا به وسیله توپ منحرف می شود.

سشوار را كمی كج كنید و دقت كنید كه توپ هنوز نیز در هوا معلق می ماند.

توپ را متعادل كنید و سشوار را به یك گوشه اتاق ببرید توجه كنید كه ارتفاع توپ بیشتر می شود.

چه اتفاقی می افتد؟

زمانی كه توپ در جریان هوا معلق است، هوایی كه بالا می رود زیر توپ را لمس می كند و سرعتش كم می شود و یك محل با فشار بالاتر را تولید می كند. منطقه پرفشار هوای زیر توپ، توپ را در مقابل نیروی گرانش نگه می دارد.

وقتی كمی توپ را از جریان هوا خارج می كنید.، هوا دور خم توپ كه به مركز نزدیكتر است، جریان پیدا می كند. هوا به سرعت دور توپ و بالای آن خم می شود و سپس به سمت بالا می رود.

این جریان هوا نیرویی به سمت داخل روی توپ اعمال می كند، همانطور كه جریان هوا به سمت پایین یك نیرو به سمت بالا به هلیكوپتر وارد می كند. این بیان بر پایه قانون سوم نیوتون است.

روش دیگری برای توضیح این پدیده است كه زمانی كه هوا دور توپ خم می شود، فشار هوا روی توپ كاهش پیدا می كند، و به فشار عادی اتمسفر اجازه می دهد تا توپ را به داخل فشار دهد.

چرا جریان هوا سطح توپ را دنبال می كند ؟ فرض كنید كه هوا دور توپ خم نمی شد. یك سایه از هوا بالای توپ تشكیل می شد. این سایه منطقه ای كم فشار است. پس هوا به داخل این منطقه كشیده می شود. بنابراین هوا دور توپ خم می شود.

توضیح دیگر توسط قانون برنولی برای این موضوع این است كه اگر توپ را از جریان هوا دور كنید هوا فقط دور یك طرف توپ جریان خواهد داشت. در حقیقت، جریان هوا زمانی كه دور توپ می چرخد سریعتر می شود. زیرا وسط توپ به نسبت بالا و پایین توپ بیشتر در جریان هوا است و چون یك مقدار هوا باید از تمام قسمت ها بگذرد جریان در مركز توپ سریعتر است. قانون برنولی می گوید كه وقتی سرعت هوا بیشتر می شود فشار كمتر می شود. تفاوت فشار میان هوای ساكن و هوای متحرك توپ را به داخل جریان هوا می كشاند.

وقتی به یك دیوار نزدیك می شوید منطقه پر فشار زیر توپ پر فشار تر می شود. هوایی كه به زیر توپ فشار وارد می كند نمی تواند در تمام جهت ها خارج شود.

دیگر چه؟

این آزمایش یكی از دلایلی كه هواپیما پرواز می كند را نشان می دهد. یك بال صاف اگر در معرض باد قرار گیرد پرواز می كند. بنابراین هوا را مجبور می كند كه به پایین برود. قانون سوم نیوتون می گوید كه برای هر عملی باید عكس العملی در جهت مخالف و با همان نیرو وجود داشته باشد. عكس العمل نیرویی كه بال به هوا وارد می كند بالا رفتن بال است. می توانید این بلند شدن را خودتان احساس كنید. اگر دستتان را از یك ماشین در حال حركت بیرون ببرید و دستتان را طوری كج كنید كه هوا را به پایین فشار دهد می توانید این احساس را تجربه كنید.

یك بال كه در قسمت بالا خم شده است هوا را به سمت پایین منحرف می كند و حتی اگر كج نشده باشد نیروی بلند شدن اعمال می كند. توضیح این قضیه همانی است كه در این متن داده شد. بال با هوا تماس پیدا می كند یك منطقه پر فشار در مقابل بال درست می كند. این منطقه پر فشار بال را می كشد كه همیشه به سمت بالا است. هوای پر فشار در مقابل بال هوا را روی سطح خمیده بالا بال شتاب می دهد. این هوا سپس از پشت بال به سمت پایین می رود. هوا پیماها به این دلیل كه بال های هوا را به سمت پایین می كشند پرواز می كنند.

بعضی وقت ها گفته می شود كه هوا باید سریعتر روی سطح بالای بال به نسبت سطح زیرین صاف آن حركت كند. و گفته می شود كه این اتفاق می افتد زیرا جریان های هوا باید در ته بال به یكدیگر برسند. و چون هوای روی سطح خمیده فاصله بیشتری را طی می كند باید سریعتر حركت كند. این درست نیست. هوایی كه به دو قسمت می شود یكی از بالای بال و دیگری از پایین آن حركت می كند دلیلی ندارد كه دقیقا در یك لحظه از ته بال خارج شود.

مترجم: میثم امیری نائینی