چند مساله کاربردی فیزیک دبیرستان + فیلم

دوچرخه‌سوار شکل زیر، در حال شتاب گرفتن و افزایش تندی خود است. جهت نیروهای اصطکاک وارد بر چرخ جلو و عقب آن چگونه است؟

عاملی که باعث چرخش پادساعتگرد چرخ جلویی این دوچرخه می‌شود، نیروی اصطکاک سکون وارد بر آن به سمت عقب است! اما بر چرخ عقب نیروی اصطکاک سکون رو به جلو وارد می‌شود تا هم از سُر خوردن چرخ عقب جلوگیری کند و موجب غلتش آن شود و هم رو به جلو به کل دوچرخه شتاب بدهد. شکل زیر را ببنید:

حالا اگر دوچرخه‌سوار ترمز کند، طوری که چرخ‌ها لیز نخورند، جهت نیروی اصطکاک وارد بر چر‌خ‌ها برعکس خواهد شد.

دو توپ در آب

مطابق شکل زیر، در دو بشر یکسان، مقدار یکسانی آب ریخته‌ایم. دو توپ با اندازه‌ی یکسان در داخل آب این دو بشر توسط نخ غوطه‌ور هستند. در بشر سمت راست یک توپ از جنس سرب و در بشر سمت چپ، یک توپ پینگ‌پونگ. کدام کفه‌ی ترازو پایین می‌رود؟

 اگر این آزمایش را انجام دهیم، خواهیم دید که کفه‌ی سمت راست پایین خواهد آمد. به دو روش این اتفاق را می‌توان توضیح داد.

روش ۱٫ در بشر سمت چپ می‌توان توپ را جزیی از ظرف در نظر گرفت (چرا؟). پس مجموع وزن کفه‌ی سمت چپ برابر است با:

W_{کفه چپ}=W_آب+W_بشر+W_توپ

اما برای مجموع جرم کفه‌ی سمت راست داریم:

W_{کفه راست}=W_آب+W_بشر+B

که B نیروی ارشمیدس وارد بر توپ سربی هست. اما چون حجم هر دو یکسان است، نیروی ارشمیدس وارد بر هر دو توپ یکسان است (چرا؟). از طرفی برای نیروهای وارد بر توپ پینگ‌پونگ داریم:

B=W_توپ+T  → B>W_توپ

با توجه به نتیجه‌ی اخیر، می‌توان نتیجه گرفت که:

W_{کفه راست}>W_{کفه چپ}

روش ۲٫ این بار ما نگاهمان به ته بشرهاست که در تماس با کفه‌ی ترازو هستند. نیروی آب وارد بر کف هر دو بشر یکسان است (چرا؟). اما به کف بشر سمت چپ، نیروی کشش نخ رو به بالا وارد می‌شود. به همین دلیل نیروی وارد بر کفه‌ی سمت چپ کمتر از نیروی وارد بر کفه‌ی سمت راست خواهد بود.

بادکنک و فشار داخل آن

در این آزمایش ساده، به کمک یک لوله‌ی پلاستیکی که داخل آن آب ریخته‌اند، توانسته‌اند یک فشارسنج ساده برای اندازه‌گیری فشار داخل بادکنک بسازند.

به کمک چای! آب داخل لوله را برای مشاهده‌ی بهتر، رنگی کرده‌اند. اما در ادامه  یک آزمایش زیبای دیگر انجام داده‌اند: مقایسه‌ی فشار داخلی دو بادکنک با اندازه‌های مختلف.

نتیجه‌ی جالب آزمایش این است که فشار داخلی بادکنک کوچک بیشتر است! با محاسبه می‌توان نشان داد که فشار داخل بادکنک با اندازه‌ی شعاع آن رابطه‌ی عکس دارد.

در زیر دو فیلم جالب دیگر از بادکنک ببینید. اولی مربوط به همان آزمایش فشار و میخ هست و ربطی به فشار هوا ندارد. اما دومی مستقیم به فشار هوا ربط داره و نسبی بودن فشار را نشون میده.

منبع : ریاضی صد