هلیکوپتر کاغذی

نویسنده: علیرضا طبیب‌پور

سلامی از جنس مهر :)

تو این قسمت می­‌خوایم با یه موجود جالب به نام "هلیکوپتر کاغذی" آشنا بشیم و ببینیم چطوری کار می‌کنه؟ بعدش هم با هم تحلیل می‌کنیم که چرا به این شکل کار می‌کنه؟ همونطور که توی ویدیو هم دیدید، وقتی این هلیکوپتر رو بالای فنجون قهوه‌ی داغتون قرار بدید، شروع به چرخش می‌کنه و تا یه مدت تو همین حالت می‌مونه (به نظرتون تا کی؟). برای اینکه بدونیم این هلیکوپتر چرا چنین رفتاری داره، اول بیاید حالت ساده‌ترش رو باهم بررسی کنیم.

بعد از اینکه به کمک ویدیو، هلیکوپتر کاغذی‌تون رو ساختید، اون رو از یه ارتفاعی رها کنید (برای اینکه هلیکوپترتون خوب کار کنه، جنس کاغذتون رو، کاغذ سفید مقاوم انتخاب کنید، نه کاغذای نازک مثل کاغذ کاهی) اگه همه کارها رو درست انجام داده باشید، در کمال تعجب می‌بینید که هلیکوپتر همزمان با پایین اومدن، دورخودش می‌چرخه! این کار می‌تونه سرگرمی جالبی هم باشه. (البته فقط اولش، بعد حوصلتون سرمی‌ره!)

حالا برای اینکه بدونیم هلیکوپتر کاغذی چرا این شکلی رفتار می‌کنه، وقتشه یه کم از علم فخیمه‌­ی(!) فیزیک کمک بگیریم و سوالاتمون رو درباره‌ی این شکل حرکت ازشون بپرسیم!

1. چرا هلیکوپتر می‌چرخه؟
2. مگه کسی داره بهش نیروی چرخشی‌ وارد می‌کنه که بتونه بچرخه؟
3. آیا جهت چرخش هلیکوپتر همیشه در یه جهت ثابته یا می‌تونه تغییر کنه؟

و اما پاسخ های علم فخیم فیزیک به سوالات ما :

قبل از جواب دادن به این سوالات، اول بیاید چندتا پدیده‌ی ساده‌تر رو بررسی کنیم. فرض کنید میله‌ای داریم که پایینش روی زمین ثابته ولی می­‌تونه راحت حول خودش بچرخه؛ به دو طرف میله، صفحه‌هایی به رنگ آبی و قرمز وصل کردیم تا سیستمی شبیه شکل زیر درست بشه:

حالا فرض کنید که مثل شکل پایین، به صفحه‌ی آبی رنگ، به سمت راست و به صفحه‌ی قرمز رنگ، به سمت چپ نیرو وارد کنیم (این نیرو رو مثلا با دستمون وارد می‌کنیم و ماهیت نیرو، تفاوتی در اصل ماجرا ایجاد نمی‌کنه).

خب با توجه به نیرویی که به صفحه‌ها وارد کردیم، به نظرتون این سیستم چجوری حرکت می‌کنه؟ خیلی واضح می‌شه دید که میله‌ حول خودش می‌چرخه! مثل شکل زیر:

حالا برمی‌­گردیم سراغ مسئله‌ی هلیکوپتر کاغذی:

زمان سقوط هلیکوپتر، چه نیروهایی بهش وارد می­‌شه؟

می‌­دونیم که نیروی گرانش زمین، باعث می‌­شه هلیکوپتر کاغذی­‌مون به سمت پایین حرکت کنه؛ ولی علت چرخش هلیکوپتر هم همینه؟ یعنی اگه توی کره‌ی ماه هم رهاش کنیم، دور خودش می‌چرخه؟

متاسفانه یا خوشبختانه، جواب منفیه!(البته بعدا می‌بینیم که نیروی گرانش به صورت غیر مستقیم، توی چرخش جسم تاثیر داره).

اینجا یه نیروی خیلی مهم دیگه به هلیکوپتر وارد می‌شه که علت چرخیدنشه و اون "نیروی مقاومت هوا"ست! حتما تا حالا موقع دویدن یا بیرون بردن سرتون از پنجره‌­ی ماشین درحال حرکت، نیروی مقاومت هوا رو حس کردین.

وجود این نیرو، به خاطر برخوردهاییه که سطح هر جسمی با مولکول‌های هوا داره؛ بنابراین، نیروی مقاومت هوا عمود بر سطح جسمه و بر خلاف جهت حرکت جسم، بهش نیرو وارد می­‌کنه. پس می‌شه نتیجه گرفت: هرچقد مساحت سطحی که با مولکول‌های هوا برخورد داره بیشتر باشه _چون با تعداد مولکول‌های بیشتری برخورد داره_ اثر این نیرو هم بیشتره.

حالا تمام نیروهای مهمی که به هلیکوپتر وارد می‌شه، شناختید و تو شکل زیر هم می‌تونید ببینیدشون :

کم کم داریم علت حرکت چرخشی این هلیکوپتر کاغذی، موقع رها شدن رو، درک می­‌کنیم. اگه بُردار نیروهای مقاومت هوا که به بال‌ها وارد می‌شن رو بررسی کنیم، می‌­بینیم که یه مولفه‌­ی عمودی به سمت بالا و یه مولفه‌ی افقی به سمت داخل، داره که مولفه‌­ی عمودیش، باعث می­شه سرعت سقوط هلیکوپتر کمتر بشه.

حالا، با توجه به مثال میله، و یادآوری اینکه اونجا دیدیم نیروهای افقی که به صفحه‌های قرمز و آبی رنگ وارد کردیم، باعث چرخش میله حول خودش می‌شدن، متوجه می‌­شیم که این­جا هم، همین مولفه­‌های افقی نیروی مقاومت هوا که به پره­‌های هلیکوپتر کاغذی مون وارد می‌شن، باعث چرخش هلیکوپتر حول خودش شدن.

این نیروهای افقی رو توی شکل زیر رسم کردیم (ضمنا محور تقارن هلیکوپتر رو که از وسطش رد می‌شه رو هم نشون دادیم).

خیلی خب! ما تونستیم یه پدیده‌ی جالب رو به کمک علم فخیم فیزیک، توجیه کنیم و دلیل رخ دادنش رو بفهمیم.

ولی علم فیزیک از شدت دانا و فخیم بودنش، حتی قبل از انجام آزمایش هم شکل این حرکت رو پیش‌بینی می‌کنه! (جل الخالق!)

برای این­که بفهمید چقدر خوب مطالب بالا رو متوجه شدید، سوالات این قسمت رو بخونید، روشون فکر کنید و سعی کنید از همین مطالبی که یاد گرفتید، استفاده کنید تا جوابشون رو پیدا کنید.

خودتون رو محک بزنید و بعد از پاسخ دادن، آزمایشش کنید تا ببینید دقیق هست یا نه :)

1. به نظرتون جنس کاغذ چه تاثیری روی حرکت هلیکوپتر داره؟ اگه از کاغذ کاهی یا مقوا برای ساخت هلیکوپتر استفاده کنیم، حرکتش چه تغییر‌ی می‌کنه؟
2. جرم هلیکوپتر چه تاثیری روی شکل حرکتش داره؟ اگه به هلیکوپتر با استفاده از یه گیره یا چسب، یه پاک‌کن وصل کنیم تا وزنش زیاد بشه، حرکتش چه تغییری می‌کنه؟ آیا سرعت چرخشش کم می‌شه یا زیاد یا کلاً فرقی نمی‌کنه؟
3. چرخش هلیکوپتر به دور خودش، در چه جهتیه (ساعتگرد یا پادساعتگرد)؟ آیا می­‌شه جهتش رو عوض کرد؟ اگه می­‌شه، چطوری؟
4. ابعاد بال ها چه تاثیری روی حرکت هلیکوپتر داره؟ اگه بال ها رو با طول یا با عرض بیشتر، بسازیم، حرکت هلیکوپتر چه تغییری می‌کنه؟ اگه خیلی خیلی طول بال رو زیاد کنیم چی؟

ادامه‌ی راه

تا اینجا با استفاده از شهود فیزیکی، تونستید پدیده‌ای که در جهان اطرافتون اتفاق می‌افته رو توجیه و توصیف کنید و توضیح بدید که دلیل روی‌­دادن این پدیده چیه.

ولی آیا فیزیک به همین‌­جا ختم می‌شه؟

آیا فیزیک تنها ختم می‌شه به توضیح دادن و آوردن دلایل شهودی برای اتفاقات دنیای اطراف ما؟

جواب منفیه! در حقیقت فیزیک می‌تونه خیلی دقیق‌­تر و کامل‌تر به مدل‌سازی جهان بپردازه. اگه یه­ کم فیزیک رو پیشرفته‌تر بخونیم و ابزارهای ریاضی پیشرفته‌تری داشته باشیم می‌تونیم:

نحوه‌ی دقیق حرکت هلیکوپتر، سرعت چرخش هلیکوپتر به دور خودش، سرعت سقوط و ارتفاع هلیکوپتر رو به صورت دقیق به دست بیاریم و اطلاعات دقیقی از نحوه‌ی حرکت هلیکوپتر داشته باشیم.

با استفاده از این فیزیک دقیق، می‌­تونیم دلایل اتفاقات در دنیای پیرامون خودمون رو بفهمیم و حتی در صنعت ازش استفاده کنیم یا به عنوان یه فیزیک‌دان فخیم، علم فیزیک رو تا مراحل بالاتر پیشرفت بدیم.

ولی چطوری می‌شه به این فیزیک پیشرفته‌تر رسید؟

اگه علاقه‌ای به علم فیزیک دارید و این علاقه در حدی هست که تصمیم دارید در آینده فیزیک بخونید، می‌تونید در دانشگاه رشته‌ی فیزیک و یا مهندسی‌هایی که از علم فیزیک استفاده‌ می‌کنن رو انتخاب کنید و اگه اینقدر علاقه دارید که تا زمان دانشگاه نمی‌تونید صبر کنید و می­‌خواید از همین الان فیزیک بخونید و علمتون رو تو این زمینه پیشرفت بدید، می‌تونید المپیادی بشید و رشته‌ی فیزیک رو از همین الان به صورت تخصصی‌­تر و دقیق‌تر در حد علوم پیشرفته دانشگاه ادامه بدید و با قشنگی علم فیزیک بیشتر آشنا بشید و مثل بقیه‌ی المپیاد فیزیکی‌ها، در دوران دبیرستان از این علم لذت ببرید.