دوستی تو با فیزیک

موقع نوشتن این متن احساساتم رو در موسیقی متن این فیلم پیدا کردم. پیشنهاد می‌کنم همگام با خواندن نوشته از موسیقی نیز لذت ببرید.

تاحالا دومینوی فیزیکی دیدید؟ دومینویی که از یک لیموناد شروع می‌شود و ساعت‌ها برای خودش ادامه پیدا می‌کند!

از این‌جور ماشین‌های خودران زیاد دیدیم، ماشین‌هایی که طبق قوانین طبیعت با قطعیتی نسبی پیش می‌روند و با دیدنشان حس خدا بودن داریم. حسی که با هیچ‌چیز قابل تعویض نیست، حس این‌ که از آینده خبر داریم و قادریم همانطور که می‌خواهیم آینده را بر اساس تخیلاتمان شکل بدهیم.

وقتی که بچه‌تر بودم هرکسی که کلمه فیزیک را به زبان می‌آورد با چشم‌های گردشده می‌پرسیدم "منظورت همونه که بشقابارو پشت هم می‌چینیم و با ضربه‌زدن به یکیشون می‌تونیم کلی کارای خفن‌تر انجام بدیم؟"

الان که بزرگ‌تر شدم می‌فهمم کودک چندسال پیش چه دید درستی به فیزیک داشته، فیزیک یعنی همین. یعنی بتوانیم در دنیای خودمان نقش خدا را بازی کنیم.

توجه: ویدیوی زیر ۹ دقیقه است. اگر بعد دیدن ویدیو برای خواندن ادامه متن خسته می‌شوید. تنها دقایق اولیه ویدیو را برای پیدا کردن دیدی کلی به نوشته ببینید.

ویدیوی زیر به معنای واقعی فیزیک را به ما نشان می‌دهد و فکر این‌ که هرکدوم از این ضربه‌ها هزاران احتمال و معادله ایجاد می‌کنند، دیوانه کننده‌است و فقط با ثانیه‌ای فکر‌کردن به تمام این‌ها مغزمان بیشتر و بیشتر تشنه دانایی می‌شود.

فیزیک مانند یک جوجه‌تیغی پیر، پر از تیغ و آماده حمله است، آماده حمله به هر‌کسی که قصد دارد آن را سطحی نگاه کند، هرکسی که نخواهد او را دوست داشته‌باشد، هرکسی که او را قضاوت کند. ولی کافی است اندکی با آن مدارا کنی و سعی کنی عمیق‌تر او را نگاه کنی، سعی کنی زیبایی های وجودش که زیر سختی‌های ریاضی و دیفرانسیل مدفون است، نگاه کنی. آنگاه تیغ هایش را می‌خواباند تا بتوانیم گرمای وجود تمام کسانی که آن را پرورش داده‌اند، ببینیم.

در وصف زیبایی دوست داشتنی‌ها هزاران نکته گفته اند؛ اما از نظر من فیزیک علم غیرقابل پیش‌بینی بودن، پیش‌بینی کردن، اطمینان‌کردن و غافلگیر شدن است.

فیزیک شاخه‌های زیادی مانند تمام علوم دیگر دارد و همه آنها بسیار کاربردی هستند.

در این نوشته به یکی از قدیمی‌ترین، اساسی‌ترین و زیباترین شاخه های آن یعنی مکانیک و در ادامه به بیومکانیک می‌پردازیم.

مکانیک توضیح می‌دهد اشیاء مصنوعی و طبیعی چگونه به حرکت می‌پردازند. مکانیک به مطالعه حرکت و اثر گرانشی ستاره‌ها بر روی سیارات، حرکت هواپیما، ماشین‌آلات، قطعات و هر چیز دیگری که حرکت می‌کند می‌پردازد. و امروزه در مهندسی هوافضا نیز کاربرد دارد. دلیل آنکه این مکانیک، کلاسیک نامیده می‌شود بخاطر محدودیت‌های آن در فیزیک نوین محبوب این روز‌ها است.

نیوتون و مکانیک

نیوتون فرمولی برای قوانین حرکت و گرانش موجود در جهان وضع کرد که دیدگاه غالب علمی را تا پیش از ارائه نظریه نسبیت انیشتین تشکیل می‌داد. هرچند هنوز هم کاربرد های خود را در مقیاس‌های متوسطی (منظور از مقیاس‌های متوسط یعنی نه در اندازه‌های کیهانی و نه در اندازه‌های اتمی) دارد.

نیوتن از برهان‌های ریاضی پیرامون گرانش برای اثبات قوانین حرکت سیاره‌ای کپلر استفاده کرد. او با بررسی و تشریح جزر و مد، مسیر پرواز دنباله‌دارها و سایر پدیده‌ها، تردید در مورد درستی خورشید‌ مرکزی بودن در منظومه شمسی را از بین برد.

همچنین او نشان داد که حرکت اشیا روی زمین و اجرام آسمانی می‌تواند با اصول مشابهی محاسبه شوند.

نه اینکه ایشان اولین شخصی بودند که متوجه حرکت به سمت پایین اجسام بشوند و برای‌شان سؤال ایجاد شود. بلکه همیشه این سؤال وجود داشت و در طول تاریخ برای این سؤال، پاسخ‌های متفاوتی ارائه شده‌است.

مانند ارسطو که گمان می‌کرد هرچیزی در طبیعت در مسیری قرار می‌گیرد که متعلق به آن بخش است. برای مثال دود آتش به سمت بالا می‌رود چون بخشی از هواست و مثال‌های دیگر.

نظریه او می‌توانست هرآنچه که با چشمانشان می‌بینند را توصیف کند ولی روند رسیدن به حکم کاملاً اشتباه بود. و الان که به این نظریه فکر می‌کنیم به‌نظر می‌آید که داریم تفکرات کودکی خودمان را می‌خوانیم.

به لطف ریاضیات پیوسته توانستیم قدم‌هایمان را محکم‌تر برداریم ولی بازهم می‌دانیم ممکن است که از ابتدا در مسیر اشتباهی قدم گذاشته‌باشیم.

بنظر من مکانیک نزدیک ترین بخش فیزیک به من و شما هست. دلیلی بر گفتن حرف های کلیشه‌ای و گفتن کاربرد‌های آن در تک‌تک فعالیت‌‌های حیاتی نیست. بلکه بخش جذاب‌تر ماجرا این است که با آگاه‌شدن به بخش کوچکی از این مکانیک دوست‌ داشتنی می توانی حرکات و هر‌‌کاری که برای آن انرژی صرف می‌کنی را بهینه کنی. می توانی خیلی چیزها را تخمین بزنی و لذت ببری. فقط کافی است چند ثانیه به آن فکر کنی و بعد در زمان و انرژی محدودت صرفه‌جویی کنی.

یکی از این کاربرد‌های مکانیک در بحث بهینه کردن، فیزیک ورزش است.

بیومکانیک ورزشی

بیومکانیک یکی از شاخه‌های علوم بشری است که انسان را در درک و شناخت قوانین فیزیکی حاکم بر عملکرد جسمانی موجودات زنده یاری می‌رساند. به بیان دیگر بیومکانیک دانشی است که ارتباط بین حیات و اصول و قوانین فیزیکی حاکم بر اجسام را در دو موقعیت ایستا و پویا در موجودات زنده بررسی می‌کند.

بیومکانیک ورزشی را به اختصار می‌توان آشنایی با قوانین فیزیکی حاکم بر موضوعات ورزشی مورد مطالعه در دو وضعیت ایستا یا پویا تعریف کرد. یعنی هم برای انسان هم برای وسایل و ابزار ورزشی.

سال ۱۹۱۴ میلادی (مصادف با ۱۲۹۳ و شروع جنگ جهانی اول) شروعی بر اهمیت قائل شدن برای استفاده از قوانین علم فیزیک و رشته های وابسته به آن به خصوص علم مکانیک در فعالیت‌های روزمره و ورزشی بود. خانم واتز " WATTS "با استفاده از آزمایش و وسایل تحقیقاتی ساده، اهمیت درک و کاربرد صحیح اصول علم مکانیک را در فعالیت‌های روزانه و ورزشی اثبات کرد.

و آلمان شرقی در انستیو های فوق مدرن و پیشرفته خود آزمایش‌ها و مطالعات خود را بسط داد و فاصله خودش رو با بقیه کشورها بیشتر کرد و به جامعه علمی تحقیقاتی نشان داد تنها کسانی می‌توانند او را به مبارزه بطلبند که در این زمینه حرفی برای گفتن داشته‌باشند.

و نمونه های بسیاری از موفقیت ورزشکاران با استفاده از این علم ترکیبی وجود دارد.

دویدن

نزدیک ترین، آسان ترین و در دسترس‌ترین ورزش برای انسان های قرن ۲۱ دویدن است. پس چه بهتر که دویدن را به صورت فوق العاده سطحی تحلیل کنیم و از جذابیت های علم مکانیک و ارتباطش با انسان‌ها به وجد بیاییم.

دانش فیزیک دویدن برای ورزشکاران سطح بالا که تلاش می کنند عملکرد خود را بهینه کنند بسیار مورد توجه است. در گذشته نیز تحقیقات قابل توجهی در زمینه فیزیک دویدن انجام شده‌است، و من سعی می‌کنم برخی از جنبه های اصلی آن را در اینجا مورد بحث قرار دهم.

هرآنچه قابل اندازه‌گیری و سنجش ریاضیاتی و جبری باشد، کمیت نام دارد.
دو نوع کمیت داریم:
کمیت عددی که فقط اندازه در آن نقش دارد مثل: جرم و دما
کمیت برداری: کمیتی برای درک آن علاوه بر اندازه آن به جهت نیز نیاز داریم. مانند: بردار سرعت و شتاب و نیرو

نیرو کمیتی برداری است که می‌تواند سرعت اجسام را تغییر دهد و سبب حرکت آن شود. به عبارتی نیرو عامل حرکت به شمار می‌رود. اگر هیچ نیرویی بر جسم وارد نشود، یا اگر نیروهای وارد بر جسم اثر همدیگر را خنثی کنند، هیچ تغییری در سرعت مشاهده نمی‌شود و جسم در حال تعادل باقی می‌ماند. به زبان ساده بگوییم نیرو همان هل دادن و کشیدن خودمان است.

به منظور سادگی در کار تجزیه و تحلیل نیروها به طور قراردادی نیروها را به دو دسته داخلی و خارجی تقسیم‌بندی می‌کنیم. این طبقه‌بندی درواقع براساس منشأ تولید نیرو است.

اینطوری می‌گوییم که آیا نیرو توسط خود سیستم تولید می‌شود یا توسط منبعی خارج از سیستم.

به طور مثال:

اگر بدن انسان را یک سیستم درنظر بگیریم. هر نیرویی که از خارج از بدن انسان به او اعمال می‌شود یک نیروی خارجی است و هر نیرویی که توسط خود بدن تولید می‌گردد نیروی داخلی است.

نیروهای خارجی: جاذبه، اصطکاک، نیروهای عکس‌العمل (که خیلیم باهاشون کار داریم)، نیروی شناوری و ...

نیروهای داخلی: منبع اصلی این نیروها به صورت فعال ناشی از عضلات بدن هستند.

نیروهای داخلی در تغییر انرژی مکانیکی انسان تاثیری ندارند. پس در تحلیل بیومکانیکی ذکر شده در این مطلب نیروهای داخلی را نادیده می‌گیریم.

شکل بالا را در نظر بگیرید که نمای یک دونده در یک سطح افقی صاف را نشان می دهد.

هنگامی که دونده پای خود را به زمین می‌کوبد نیرویی در امتداد حرکت پای خود (جهت با فلش قرمز رنگ در تصویر نشان داده‌شده‌است) به زمین وارد می‌کند.

قانون سوم نیوتون: به هرچیزی نیرویی وارد کنید جسم به همان اندازه به شما نیرویی در خلاف جهت نیروی اولیه وارد می کند. برای درک این قانون کوبیدن دستتان به دیوار و درد ناشی از آن را تصور کنید.

پس با توجه به قانون سوم نیوتون که الان یاد گرفتیم، سطح زمین نیز به دونده نیرویی به همان اندازه و امتداد ولی در جهت مخالف وارد می‌کند.

در دنیای فیزیک ما می‌توانیم نیرو‌ها را به مؤلفه‌های عمودی و افقی تقسیم کنیم. (البته ناگفته نماند در فضای دو‌بعدی)

حال نیروی عکس‌العمل وارده از سطح به دونده را به دو مؤلفه افقی و عمودی تقسیم می‌کنیم.

و بالاخره فلش های قرمز مؤلفه‌های تجزیه‌شده نیروی عکس‌العمل وارده از زمین به دونده هستند.

نیروی افقی Fx و نیروی عمودی عکس‌العمل از سمت زمین Fy نام‌گذاری شده است.

و Fg درواقع نیروی حاصل از گرانش است که مرکز جرم شخص را به سمت پایین می کشد. و آن همان چیزی است که دلیل معلق نبودن بازیکن است و در هر لحظه تعادل دونده را تأمین می‌کند.

مرکز جرم: نقطه ای واحد در هر جسمی که گویی تمام نیروها بر آن وارد و خارج می شوند و گویی وسط جسم است. و گرانش یکی از آن نیروها است که خیلی به مرکز جرم وابسته است. درواقع مرکز جرم یک مفهوم هندسی است که ارشمیدوس در ۲۴۰۰ سال پیش برامون تعریفش کرده.

در حین دویدن، هنگامی دونده موفق می‌شود پایش را از روی زمین بلند کند که نیروی عمودی عکس‌العمل Fy از Fg گرانش زمین بزرگ‌تر باشد.

و حال اگر دقت کنید نیروی افقی عکس‌العمل درواقع نوعی نیروی کمک‌کننده و پیشران برای دونده به حساب می آید و او را به جلو حرکت می‌دهد. و حالا با اندکی دید شهودی می‌توانیم ببینیم که بزرگی این نیرو و سرعت دونده با یکدیگر رابطه مستقیمی دارند. اگرچه ماجرا کمی دقت بیشتری می‌طلبد.

قانون دوم نیوتون: F=ma که بیان میکند شتاب به صورت مستقیمی به نیرو بستگی دارد.

شتاب چیست؟ به تغیرات سرعت در واحد زمان شتاب می‌گویند. یعنی شما هرچقدر سریعتر سرعت خود را تغییر دهید شتاب بیشتری خواهید‌داشت. مانند تقریبا تمام وسایل شهربازی ها که با تغییر سرعت شدید و افزایش شتاب به شما هیجان وارد می‌کنند و این را هم بدانید بدن انسان کلا شتاب‌سنج است و با وارد شدن شتاب به آن دچار هیجان می‌شود.

پس نتیجه می‌گیریم شما هرچه با سرعت بیشتر و در زمان کمتری پای خود را به زمین بکوبید شتاب بیشتر و در نتیجه نیروی بیشتری به زمین وارد کرده اید و نیروی عکس العمل نیز بزرگتر خواهد‌بود.

پس متوجه می‌شویم راز دوندگان المپیک سرعت و زمان کم ضربه زدن پای خود به زمین بوده‌است.

اگر دقت کرده باشید همیشه به ما می‌گویند صدای ضربه زدن پای ما به زمین نباید شنیده‌شود و این همان قضیه‌ای است که با هم اثبات کردیم. یعنی با پای خود محکم به زمین ضربه بزنید و مدت زمان تماس بین پا و زمین را کاهش بدهید.

حرکت پرتابی و دویدن (اگر ماجرا برایتان جا نیفتاده‌است)

درواقع اثبات ما برآمده از اثباتی دقیق‌تر است. به شکل زیر دقت کنید:

با توجه به مدت زمانی که پای شما با زمین تماس دارد، مرکز جرم شما در چارچوب بسته تعریف‌شده جابه‌جا می‌شود، همچنین اندازه برآیند دو نیروی Fy و Fg مداوماً تغییر می‌کند و کمان سهمی شکلی همانند تصویر بالا ایجاد می‌کند.

درواقع از اینجا به بعد سرنوشت دونده توسط حرکت پرتابی تعیین می‌شود:

وقتی شما با یک پا از روی زمین بلند می‌شوید، در لحظه فرود پای دیگرتان به زمین برخورد می‌کند، شما هرچه‌قدر با سرعت بیشتری به زمین برخورد کنید و همچنین زمان کمتری پای شما با زمین در تماس باشد، شتاب بیشتری و در نتیجه نیروی بیشتری به زمین وارد کرده‌اید، در پاسخ، زمین همان نیرو با همان راستا و جهت را به شما وارد می‌کند که تمام آن نیرو نتیجه شیوه فرود آوردن پایتان بر روی زمین هست.

پس باز هم به نتیجه قبلی می‌رسیم.

استفاده از آموخته‌ها

• هنگام کشیدن جعبه‌ای روی زمین، نیرویی که رو به جلو به جعبه وارد می‌کنم برابر است با نیرویی که جعبه رو به عقب به من وارد می‌کند، پس چرا من برنده می‌شوم و جعبه بازنده؟
• هنگامی که خودرو در یک سراشیبی حرکت می‌کند، لاستیک با نیرویی به جاده فشار می‌آورد که موجب ماندن خودرو روی سراشیبی می‌شود. اگر سرعت خودرو را دو برابر کنید، نیرو چه تغییری خواهد‌کرد؟

تاحالا شده در فعالیت‌ها روزمره‌تان با ابزار و وسایل به مشکلی بربخورید و با کمی فکر کردن و دید شهودی مخصوص خودتان، بتوانید آن را حل کنید؟

لطفا پاسخ سؤال‌های بالا را بدون توجه به درست یا غلط بودن و همچنین تجربه خودتون رو در قسمت کامنت‌ها برام بنویسید.

منابع استفاده‌شده و پیشنهادی:

کتاب چرا گربه چهار دست و پا فرود می‌آيد؟ از مارک لوی

این کتاب از آن دسته کتاب‌هایی است که حتی عنوانش هم ما را به فکر فرو می‌برد.

توی این کتاب قراره به پاسخ سؤال روی جلد کتاب برسیم به‌علاوه ۷۶ معمای فیزیکی دیگر.

هرچند کتاب را هنوز تمام نکردم. ولی سطح این کتاب بالاست و به انتگرال، مشتق و اطلاعات مکانیک تحلیلی و دیگر شاخه‌‌های فیزیک نیاز پیدا خواهید‌کرد.

این کتاب بسیار جذاب است و برای پیدا کردن دید شهودی و تقویت روحیه پرسشگر بسیار مفید است.

کتاب مفاهیم بنیادی مکانیک ورزش از امیر سرشین، سردار محمدی و رضا رستمی

این کتاب را هم در حد نگاه گذرایی در کتابخانه خواندم.

کتاب از بنیادی‌ترین و پایه‌ترین مفاهیم شروع کرده و اگر دبیرستانی هم نباشید راحت مطالب را متوجه می‌شوید و از کتاب لذت می‌برید. اگر پست من باعث شد ذره ای به بیومکانیک و فیزیک علاقه‌مند شوید این کتاب را بسیار بسیار پیشنهاد می‌کنم.

https://www.real-world-physics-problems.com

این سایت هم یک مدت مدیدی پاتوق من بود و چیزهای جالبی در این سایت پیدا خواهید‌کرد.

این مطلب برای گروه علوم مجله‌ مرکب آماده شده‌است.