دوستی تو با فیزیک | زیپ‌لاین‌

تو بخش اول دوستی تو با فیزیک، با مکانیک بیشتر آشنا شدیم و یاد گرفتیم چجوری بهتر بدوییم. تو این بخش قراره درمورد یه طناب ساده صحبت کنیم. طنابی که با فیزیک جون می‌گیره و کارای جادویی می‌کنه.

سرگروه علوم مرکب عادت داره هرچندوقت یبار میاد و یه بحثی می‌ندازه وسط و خودشم همونجا کلی حال می‌کنه. در یکی دیگه از حرکتای عجیب سرگروه بحث کشیده‌شد به زیپ‌لاین‌ها:

حالا اینکه چجوری به زیپ‌لاین‌ها رسیدیم اینگونه بود که سرگروه یه ویدیو از کانال آیا می‌دانستید می‌فرسته و برامون سؤال پیش میاد این خانومه چجوری یه همچین مسیر محالی رو طی می‌کنه؟

زیپ‌لاین چیست؟

تو اکثر فیلم‌های اکشن یه سکانس داریم که قهرمان داستان ژاکتشو درمیاره می‌ندازه رو یه طناب و با سرعتی وحشتناک مسیر طولانی رو تو زمان کمی طی می‌کنه. تو اینجور سکانس‌ها انقدر سرعت اتفاق بالاست که بیننده کم پیش اومده بتونه بهش فکر کنه که چجوری کار می‌کنه و اصلا همچین چیزی ممکنه؟

زیپ‌لاین یه اتفاق خیلی ساده است. در ساده‌ترین حالتش درواقع یه کابله که به دو نقطه متصله و نقطه شروع در ارتفاع بالاتری از نقطه پایان قرار داره.

اگر به غرایز علمی‌تون و تجربه بقیه اعتماد داشته‌باشید می‌تونید هرجا که شرایطش بود (که شرایطو بعدا می‌گیم) از یه طناب آویزون شید.

درواقع زیپ‌لاین‌ها از زمان‌های دور مورداستفاده انسان‌ها به ساده‌ترین شکل ممکن بوده.

دانش‌آموز کلاس سوم اهل چین، یو لینا، از رودخانه نوجیانگ عبور می‌کند تا در 15 سپتامبر 2007 به کلاس مدرسه ابتدایی مرکز شهر ماجی برود. تقریباً نیمی از دانش‌آموزان مدرسه از این خطوط برای رفت و آمد به مدرسه استفاده می‌کنند.

برای مثال در استرالیا اون رو روباه پرنده، در آفریقای جنوبی اون رو foefie، صدا می‌کنند.

طرز کار

مهم‌ترین نکته در حرکت زیپ‌لاین اینه که بردار کلی حرکتمون باید شیب منفی داشته باشه.

بردار: هرقطعه خط جهت‌دار رو بردار می‌گویند.

یعنی خطی که نقطه شروع و پایان حرکت رو به هم متصل می‌کنه، باید شیب منفی داشته باشه. یعنی اینکه نقطه شروع در ارتفاع بالاتری از نقطه پایان حرکت قرار داشته‌باشه.

شیب با پیدا کردن نسبت "تغییر عمودی" نسبت به "تغییر افقی" بین (هر) دو نقطه متمایز روی یک خط بدست میاد. و اون رو برای اولین بار با mنشون دادن. شما وقتی می‌خواین از نردبون بالا برین، شیب مثبت دارین و هروقت بخواین از اون پایین بیاید، شیب منفی دارین.

اول به صورت کلی به نیروهای تاثیرگذار روی حرکتمون نگاه کنیم:

مقاومت هوا

هنگامی که یک جسم در هوا یا هر مایع دیگری حرکت می‌کنه، ماده در برابر حرکت مقاومت می‌کنه. حالا میزان این مقاومت، به عوامل زیادی بستگی داره، اما تجربه روزانه ما به ما یادآوری می‌کنه که، وقتی که تو خیابون یه بنده خدایی راه می‌ره، مقاومت هوا تقریباً روی طرف اثر نداره و مزاحم حرکتش نمی‌شه.

اما اگه همون بنده خدا موقعی که تو ماشین با سرعت بالا در حرکته، دستشو از پنجره بیاره بیرون، کاملا می‌تونه حس کنه که یه چیزی به دستش نیرو وارد می‌کنه. و این همون مقاومت هوا است.

حالا این بنده‌خدا در هر دوحالت در حال حرکت بود، پس چرا تو حال اول مقاومت هوا کاری باهاش نداشت؟

دلیلش اینه که تو حالت اول سرعت بسیار پایینی داشت و تو حالت دوم سرعت بالایی داشت. بنابراین از همینجا می‌تونیم نتیجه‌گیری کنیم که سرعت تو اندازه مقاومت هوا نقش داره.

پس شما هرچقدر سرعت بیشتری داشته‌باشید، در حین حرکت متوجه می‌شید که مولکول‌های هوا بیشتر بهتون نیرو وارد می‌کنن.

مقاومت هوا به چیزهای دیگه ای هم بستگی داره که فعلا ما به سرعتش کار داریم.

پس اگه حین حرکت روی طناب زیپ‌لاین سرعت بالا باشه، درد می‌کشید و کل چشم و چالتون داغون می‌شه.

گرانش

می‌دونیم که هر جسم یا ماده‌ای روی کره‌زمین تحت سلطه نیرویی گریزناپذیر به‌نام گرانش قرار داره. درواقع گرانش باعث می‌شه، تمامی مواد روی کره زمین تحت تاثیر نیرویی باشند که اونهارو به سمت مرکز زمین می‌کشونه.

اصلی‌ترین دلیلی که زیپ‌لاین‌ها کار می‌کنن، گرانشه. یعنی ما از اصلی‌ترین اصول حرکت کره‌زمین استفاده می‌کنیم و اجسام رو تو مسیری قرار می‌دیم که با کمترین مقاومت، بتونند به حرکت تحت نیروی گرانششان ادامه بدن.

ما گفتیم که اجسام تنها با نیروی گرانش به حرکتشون روی مسیر از پیش تعیین‌شده که همون کابلاست، ادامه می‌دن. ولی اگه دقت کنیم مسیر حرکت درواقع به دو بخش تقسیم می‌شه، بخشی با شیب مثبت و بخش دیگر با شیب منفی.

چرا باید مسیرمون به دو قسمت تبدیل بشه؟

مربوط به جرم اون چیزیه که روی طنابمون می‌لغزه. درواقع جرم اون جسمه باعث می‌شه طناب خمیده بشه و زاویه ایجاد بشه. این زاویه هم با جرم انسان رابطه مستقیم داره. یعنی هرچقدر جرم بیشتر می‌شه اون زاویه هم بزرگتر می‌شه.

مثلا یادتونه وقتی لاغرترین و چاق‌ترین فرد کلاس می‌خواستن از تور والیبال آویزون بشن، چه اتفاقی می‌افتاد؟ اینجاهم به همون صورته.

چجوری این قسمتو رد کنیم؟

در بخش اول که با شیب منفی روبرو هستیم،‌ می‌تونیم با کمک گرانش، مسیر رو طی کنیم. ولی تو بخش دوم که شیب مثبت داریم چی؟

درواقع در بخش دوم حرکت، نیروی گرانش نه تنها به ما کمک نمی‌کنه بلکه از حرکتمون جلوگیری هم می‌کنه.

پس تنها چیزی که باعث می‌شه این قسمت رو رد کنیم، سرعت نهایی ایه که با حرکت در بخش منفی بدست آوردیم.

اصطکاک

اصطکاک یکی از نیروهاییه که شمارو موقع حرکت روی زیپ‌لاین کند می‌کنه و باعث می‌شه سرعت شما کاهش پیدا کنه.

اصطکاک یکی از نیروهای به شدت مهمه که باعث و بانی خیلی از فعالیت‌های روزمره‌مونه. از حرکت روی زمین و اسکی‌کردن رو یخ و حرکت ماشین، همگی به اصطکاک مرتبط‌اند. اصطکاک انواع مختلفی داره ولی به صورت دیدی کلی، نیرویی کندشونده است و همیشه در خلاف جهت نیرویی که به جسم وارد می‌شه، عمل می‌کنه و سعی داره از حرکت جسم جلوگیری کنه.

درواقع اگر سرعت شما بیشتر از یه حدی باشه، جدا از نیروی زیادی که از سوی مولکول‌های هوا بخاطر مقاومت هوا به شما وارد می‌شه و درد داره، شما همچنین فرود وحشتناکی خواهیدداشت و ممکنه باعث آسیب به جسم یا شخص بشه.

پس کنترل سرعت بسیار مهمه و اصطکاک تو این ماجرا نقش بسیار مهمی رو ایفا می‌کنه.

ولی باید توجه داشته‌باشیم که اگر سرعت از مقدار مشخصی کمتر بشود،‌ ممکن است قادر به ادامه مسیر نباشیم.

اینجا دقیقا همون بخشیه که به پاسخ سؤال بالامون می‌رسیم.

قاعدتا قادر هستیم اون بخشی که گفتیم شیب منفی داره رو رد کنیم، حتی اگه اصطکاک خیلی زیاد باشه و درنتیجه ما سرعت پایینی داشته‌باشیم.

ولی تو بخش با شیب مثبت ماجرا اینطوری نیست چون دیگه گرانش قرار نیست به ما کمک کنه تازه از حرکت ما هم جلوگیری می‌کنه.

پس اگه اصطکاک بین شما و طناب بیشتر از یه حدی بشه و در نتیجه سرعت شما مقدار کمی پیدا کنه، شما قادر نیستید بخش با شیب مثبت رو رد کنید.

برای حل این مشکل برای حرکت روی زیپ‌لاین‌ها از جنس خاصی پارچه در زمان قدیم و همچنین در ویدیو بالا استفاده می‌شده، که همین جنس باعث می‌شده اصطکاک کاهش پیدا کنه و سرعت مقدار زیادی پیدا کنه که قادر به رد نقطه خمیدگی زیپ‌لاین‌ها باشیم.

ولی با توجه به جرم انسان ممکنه در اواخر مسیر سرعت بسیار زیاد بشه و برای فرود مشکل پیش بیاد که برای حل این مشکل در نوع امروزه و پیشرفته زیپ‌لاین‌ها به شرکت‌کننده‌ها دستکش‌هایی مخصوص می‌دن یا اگر از نوع کابین‌دار زیپ‌لاین‌ها استفاده کنید ترمز‌هایی برای افزایش اصطکاک و در نتیجه کاهش سرعت به صورت اتوماتیک وجود داره.

چرا نباید مثل تارزان برای خودمون زیپ‌لاین درست کنیم؟

اولین قدم تو طراحی زیپ‌لاین شناختن تمام عوامل و پارامترهاییه که باید محاسبه کنیم تا زیپ‌لاینمون هم کار کنه و هم ایمن باشه.

• نقطه شروع و پایان چقدر از زمین باید فاصله داشته‌باشه؟
• توپوگرافی زمین نسبت به کابل زیپ لاین چگونه است؟
• نقطه شروع و پایان کابل رو به چی متصل کنیم و چجوری می‌تونیم اونارو ایمن کنیم؟
• کابل رو باید چقدر بکشیم تا امن باشه؟
• محدودیت وزن چقدر خواهدبود؟

پس طراحی زیپ‌لاین کار ظریفیه و باید به خیلی پارامترا توجه کنیم و علم کافی برای طراحیش رو داشته‌باشیم.

استفاده از دانسته‌ها

نزدیک‌ترین تجربتون به زیپ‌لاین‌ها چی بوده؟

بنظرتون زیپ‌لاین تو فضای بدون جاذبه، کره‌ ماه یا سیاره مریخ کار می‌کنه؟

یا اگر کار کنه چطوریه؟