دیدکلی

تعادل یکی از مهمترین موضوعات مورد بحث چه در علم فیزیک و چه در مباحث مهندسی است. مطابق قوانین فیزیک ایجاد تعادل شرایطی دارد. در این آزمایش بر آنیم وجود تعادل را در یک سیستم شامل یک خط کش با سکه‌هایی که روی آن هستند، را ارضا کنیم. این آزمایش تساوی گشتاورهای ساعتگرد و پاد ساعتگرد حول مرکز جرم ، آنچه شرط دوم تعادل است، را نمایش می‌دهد.

شرایط تعادل

شرایط ایجاد تعادل در یک سیستم این است که اولا برآیند نیروهای وارد بر جسم نسبت به مرکز جرم آن صفر باشد. ثانیا برآیند گشتاورهای وارد بر جسم حول هر محور ثابتی در دستگاه مرکز جرم برابر با صفر باشد، که حالت اول بیان کننده آن است که در تعادل ، حاصل جمع مولفه‌های نیروهای خارجی در امتداد هر یک از سه جهت دو به دو عمود بر هم ، برابر با صفر است. حالت دوم می‌گوید در حالت تعادل باید حاصل جمع مولفه‌های گشتاورهای اعمالی بر روی یک جسم ، در امتداد هر یک از سه جهت دو به دو عمود بر هم ، برابر با صفر باشد.

شرط دوم تعادل ، از نحوه انتخاب مبدا و محورهای مختصات برای محاسبه مولفه‌های گشتاورها ، مستقل می‌باشد. اگر گشتاورهای خالص برابر با صفر باشد، مولفه‌هایش در صورت هر نوع انتخاب محورهای x ، y و z برابر با صفر خواهند بود. از طرفی برای یک جسم در حال تعادل ، نحوه انتخاب مبدا مختصات ، به منظور ساده کردن محاسبات مربوط به گشتاورهای جسم نمی‌باشد. زیرا اگر حول یک مبدا خاص (Z=0) ، گشتاور نیرو صفر باشد (برایند گشتاورهای اعمال شده برابر صفر باشد) ، حول هر نقطه دیگری در دستگاه مرجع نیز برابر با صفر خواهد بود.

وسایل لازم

1. یک عدد خط کش پلاستیکی
2. چند تا سکه
3. یک تکیه گاه (مانند یک مداد)
4. یک قطعه مثلثی شکل کوچک که می‌تواند تکیه گاه بهتری نسبت به مداد باشد. زیرا امکان نوسانهای بزرگتری را برای خط کش فراهم می‌آورد.

شرح آزمایش

خط کش پلاستیکی را روی تکیه گاه قرار داده و آن را در مرکزش به حالت تعادل در آورید. یک سکه را در یک طرف تکیه گاه روی خط کش و دو سکه را در طرف دیگر آن قرار دهید. دو سکه مزبور باید به جای اینکه روی هم باشند، مجاور هم قرار گیرند، تا دوتا بودنشان بطور آشکار دیده شود. تعادل زمانی حاصل خواهد شد که شما فاصله تک سکه تا تکیه گاه را دو برابر فاصله مرکز جرم دو سکه تا تکیه گاه کنید. چون از آنجایی که گشتاور عبارت است از حاصلضرب خارجی فاصله در نیرو (τ=r×f) و نیروهای اعمالی بر سیستم ما هم فقط شامل وزن سکه‌ها است، برای برقراری تعادل باید گشتاور ایجاد شده در حول تکیه گاه توسط تک سکه با گشتاور ایجاد شده حول تکیه گاه توسط دو سکه برابر باشد.

گشتاور اعمالی توسط تک سکه در راستای محور Z بوده و مقدار آن برابر mgx خواهد بود و گشتاور اعمالی توسط دو سکه باز در راستای محور Z بوده و مقدار آن برابر2mgx می‌باشد. بنابر قانون دوم تعادل mgx+2mgx=0 است. پسx=2x است، یعنی باید فاصله تک سکه تا تکیه گاه دو برابر فاصله مرکز جرم دو سکه تا تکیه گاه باشد. می‌توانید آزمایش را برای تعداد بیشتری از سکه‌ها در مکانهای متفاوت انجام دهید و نشان دهید که برای رسیدن به تعادل باید مجموع گشتاورهای ساعتگرد با مجموع گشتاورهای پاد ساعتگرد مساوی باشد. انجام آزمایش با استفاده از خط کش شفاف این امکان را ایجاد می‌کند تا فاصله هر یک از سکه‌ها تا تکیه گاه به آسانی قابل مشاهده باشد. چون نمی‌خواهید نگران گشتاور وزن خط کش باشید، اطمینان حاصل کنید که مرکز آن روی تکیه گاه باشد.

اما می‌توانید در ابتدا وزن خط کش را برحسب سکه‌ها تعیین کنید. بدین ترتیب که خط کش را روی تکیه گاه بلغزانید، تا زمانی که آن قسمت از وزن که به گرانیگاه اعمال می‌شود، با سکه‌ای در طرف دیگر تکیه گاه به تعادل برسد. آنگاه می‌توانید با در نظر گرفتن گشتاور وارده از طرف گرانیگاه خط کش در معادله گشتاور ، تکیه گاه را در هر جایی قرار دهید. البته ناگفته نماند که در این آزمایش شرط اول تعادل ، یعنی صفر بودن برآیند نیروها حول مرکز جرم برقرار است. در اینجا سه نیرو وجود دارد که شامل وزن تک سکه ، وزن دو سکه و نیروی عکس العمل سطح که از تکیه گاه به میله وارد می‌شود، است که این نیرو در خلاف جهت دو نیروی حاصل از وزن سکه‌ها است و برآیند کل این نیروها صفر خواهد بود

آزمایش با یک خط کش ناهمگن

در آزمایش فوق صرفا به خاطر همگن بودن سطح مقطع ، گرانیگاه خط کش در وسط آن قرار داشت. یک تغییر جالب عبارتست از تعویض خط کش با یک میله باریک شده که سطح مقطع ناهمگن دارد که آن را از مقوای ضخیمی به شکل مثلث به قاعده 2.5 سانتیمتر و ارتفاع 20 سانتیمتر تهیه می‌کنیم. در این حالت گرانیگاه میله باریک شده مزبور ، در نقطه‌ای به فاصله 3.1 طول قسمت ضخیم قرار دارد، مطلبی که با بررسی اینکه میله کجا به تعادل می‌رسد، به آسانی قابل درک است.

دوستتونو ناپدید کنید در حالی که لبخندش باقی بمونه.

در بیشتر مواقع ، هر دو چشم انسان چشم اندازهای نسبتاً یکسانی از دنیای اطراف دریافت می کنند. مغز ما دو تصویری که دو چشم از یک منظره دریافت می کنند را با هم ترکیب کرده و ما آن منظره را سه بعدی درک می کنیم. در این آزمایش خواهید دید که اگر تصاویری که دو چشم دریافت می کنند متفاوت باشند ، چه اتفاقی می افتد.

وسایل مورد نیاز

• یک آینه ( که طول هر وجه آن حدود 10 إلی 15 سانتی متر باشد )
• دیوار سفید یا هر سطح سفید دیگر ( مانند ورقه ی مقوای سفید )
• یک دستیار

شرح آزمایش

طوری بنشینید که دیوار یا سطح سفید در سمت راست شما قرار بگیرد. همانند شکل زیرطوری آینه را با دست چپ در مقابل بینی خود نگه دارید که سطح بازتابنده ی آن به طرف دیوار باشد ( چنان که بتوانید دیوار را با چشم راست خود ببینید ) .

در حالی که یک لبه ی آینه ( مانند شکل ) در مقابل بینی شما قرار دارد ، آن را طوری بچرخانید که تصویر منعکس شده ی دیوار را تنها با چشم راست خود بتوانید ببیند و چشم چپتان در مقابل دوستتان قرار گیرد. دست راست خود را همانند شکل بالا در مقابل دیوار طوری تکان دهید که گویی در حال پاک کردن تخته سیاه هستید. ببینید چه قسمت هایی از صورت دوستتان ناپدید می شود.
سعی کنید در مکانی آزمایش را انجام دهید که زمینه ی پشت سر فرد مقابلتان به رنگ روشن باشد. تا آن جا که امکان دارد ، سر خود را بی حرکت نگاه دارید. از دوست خود نیز بخواهید در طول آزمایش بی حرکت بنشیند .
اگر ناپدید شدن صورت دوستتان را به درستی نمی بینید ( در دیدن ناپدید شدن آن مشکل دارید ) ، احتمالاً یکی از چشمانتان از دیگری قوی تر است .
آزمایش را دوباره انجام دهید، منتها اینبار طوری بنشینید که دیوار در سمت چپ شما قرار گیرد و چشم راستتان در مقابل صورت دوستتان قرار گیرد.
توانایی افراد مختلف در مشاهده ی این اثر متفاوت است. تعداد کمی از افراد هرگز این پدیده را نمی بینند. این آزمایش را چندین مرتبه تکرار کنید، زود مأیوس نشوید. برای دیدن این پدیده وقت و حوصله به خرج دهید .

چه اتفاقی در حال وقوع است؟

تصاویری که دو چشم انسان از یک منظره دریافت می کنند، بطور عادی، تفاوت های خیلی کمی با هم دارند. مغز انسان این دو تصویر را تجزیه و تحلیل کرده و سپس آن ها را جهت تشکیل یک تصویر واحد و سه بعدی، با هم ترکیب می کند .
در این آزمایش، دو چشم شما به کمک آینه، دو تصویر مختلف را دریافت می کنند . یک چشم شما تصویری که از صورت دوستتان می آید را دریافت می کند و چشم دیگرتان تصویر دیوار سفید ( یا هر سطح سفید دیگری ) و حرکت دستتان که از آینه منعکس شده را می بیند.
مغز شما تلاش می کند قسمت های مختلف دو تصویر را برای ساختن تصویر نهایی کنار یکدیگر قرار دهد.
چشم شما به تغییر وحرکت خیلی حساس است .
هیچ کس نمی داند چرا و چگونه قسمت هایی از صورت گاهی اوقات باقی می مانند، ولی چشم و دهان آخرین اجزایی هستند که ناپدید می شوند .
نام این آزمایش از گربه ی خندان در داستان آلیس در سرزمین عجایب گرفته شده است. در این داستان گربه ناپدید می شود در حالیکه فقط لبخندش باقی می ماند.

با کمک دو قطعه طلق که توسط لایه ی نازکی از هوا جدا شده اند ، می توان الگوهای تداخلی ساخت.

وقتی نور به دو سطح شفاف که فاصله ی کمی از هم دارند می تابد ، قسمتی از نور از هر یک از سطوح منعکس می شود. اگر فاصله ی بین دو سطح مضربی از نصف یا کل طول موج باشد به ترتیب تداخل سازنده یا ویرانگر اتفاق می افتد و یک الگوی تداخلی تشکیل می شود.

وسایل مورد نیاز

• دو قطعه ورق طلق
• کاغذ رسم تیره
• یک قطعه ی پلاستیکی شفاف قرمز
• نوار چسب
• منبع نور ( چراغ مطالعه یا ... )

شرح آزمایش

سطوح طلق ها را با الکل و پارچه ی نرم تمیز کنید. سپس آن ها را محکم به هم فشار داده و برای اینکه در همین حالت ثابت باقی بمانند ، لبه های آن ها را با نوارچسب بچسبانید. روی یکی از سطوح را باکاغذ تیره بپوشانید تا الگوها ی تداخلی واضح تر دیده شوند.
سطوح طلقی را در برابر یک منبع نور قوی طوری در دست بگیرید که طرفی که کاغذ تیره قرار دارد مانند شکل در زیر باشد. الگوهای رنگی تداخل را مشاهده کنید. در صورت خم کردن یا فشردن سطوح ، الگوها تغییر خواهند کرد. توجه کنید که این الگوها شباهت زیادی به خطوط تراز در نقشه های توپوگرافی دارند. حالا قطعه ی پلاستیکی قرمز را بین منبع نور وسطوح قرار دهید. ملاحظه کنید که اینبار الگوها فقط قرمز وسیاه هستند.

چه اتفاقی در حال وقوع است؟

امواج نور از دوسطحی که توسط لایه ی نازک هوا از هم جدا شده اند ، منعکس می شوند. این امواج پس از بازتاب از سطوح با یکدیگر برخورد می کنند و می توانند اثر یکدیگر را تقویت کرده یا از بین ببرند. این تقویت شدن یا از بین رفتن تداخل سازنده و ویرانگر نامیده میشود. این اثر است که باعث بوجود آمدن الگوهای تداخلی می شود.
نور سفید از رنگ های مختلفی تشکیل شده که با هم مخلوط شده اند. وقتی امواج نور یک رنگ خاص به هم رسیده و یکدیگر را از بین می برند ، آن رنگ از رنگ های نور سفید حذف می شود. بطور مثال وقتی امواج نور آبی از بین می روند ، آنچه از نور سفید پس از حذف نور آبی باقی می ماند ، رنگ زرد ( مکمل رنگ آبی ) است. ضخامت لایه ی بین دوسطح تعیین می کند کدام رنگ از بین می رود. بطور مثال اگر فاصله ی بین دو سطح به اندازه ی نصف طول موج نور آبی( یا مضربی از آن ) باشد ، قله های امواج نور آبی که از سطح بالایی لایه ی هوا منعکس می شوند ، دره های امواج نور آبی منعکس شده از سطح پایین را از بین برده و موجب از بین رفتن نور آبی می شوند.
این چیزی است که اتفاق می افتد: تصور کنید که فاصله ی بین دو سطح نصف طول موج نور آبی است. وقتی یک موج به سطح بالایی لایه ی هوا برخورد می کند بخشی از آن منعکس و بخش دیگر به راه خود ادامه می دهد. در مقایسه با سطحی که از سطح بالایی لایه منعکس می شود ، بخشی که عبور کرده و از سطح پایین منعکس می شود ، به اندازه ی یک طول موج بیشتر در لایه ی هوا حرکت می کند ( نصف طول موج می رود و نصف طول موج بر می گردد ). به علاوه موجی که از سطح پایین منعکس می شود وارونه می شود. اثر خالص نهایی این است که قله و دره ی نور آبی منعکس شده از دو سطح ، با هم ترکیب شده و یکدیگر را از بین می برند. به دلیل اینکه طرح الگوهای تداخلی به فاصله ی بین دو سطح بستگی دارد چیزی که در عمل می بینید نقشه ی توپوگرافی فاصله ی بین دو سطح است.
پس از قرار دادن یک فیلتر قرمز جلوی منبع نور فقط فریزهای قرمز و سیاه پدیدار می شوند. در جایی که تداخل ویرانگر صورت می گیرد هیچ نور قرمزی وجود ندارد که به چشم شما برسد ، بنابراین شما سیاه می بینید. هر جا تداخل سازنده صورت گیرد شما قرمز خواهید دید.