قوانین بقا | هوافضای جوان

قوانین بقا

جهان پیرامون ما، همواره در حال تغییر و دگرگونی است. در واقع، تغییر عنصر اصلی گذر زمان است. بدون اندازه گیری تغییرات، مفهوم زمان نامحسوس خواهد بود. اما در میان همه ی تغییرات، همیشه مفاهیم ثابتی وجود دارند که با گذر زمان، ذات و ماهیت آنها عوض نمی شود و فقط شکل و ظاهر دیگری به خود میگیرند. مثال هایی از این دست، چرخه ی آب در کره ی زمین، تغییر آب و هوا و فصل ها و حتی ثابت ماندن هویت فردی در گذر زمان می باشد. این پدیده ها نشان می دهند که حتی با تغییر شکل های گوناگون، بعضی مفاهیم ماهیت اصلی خود را در گذر زمان حفظ می کنند و به عبارتی گویی یک نوع قانون بقا در میان آنها حاکم است.

یک حوض آب با یک فواره ی مداوم را در نظر بگیرید. معمولا حوض های دارای فواره، یک مقدار آب ثابتی دارند که این آب از مجرای خروجی حوض به داخل موتور کمپرسور و از آنجا به داخل فواره هدایت می شود. از فواره نیز دوباره آب مسیر خود را به داخل حوض پیدا می کند. در سیستم فواره و حوض هیچ آبی تولید و یا از بین نمی رود، ( البته اگر تبخیر آب و یا نشتی لوله و غیره را در نظر نگیریم) به عبارتی در این سیستم آب بقا پیدا می کند و در یک سیستم بسته آب در جریان است. پدیده های مختلف فیزیک، از قوانین بقای مختلفی پیروی می کنند. مفهوم قانون بقا این است که در یک سیستم ایزوله ی فیزیکی که در طول زمان دستخوش تغییرات می شود، مقدار های قابل اندازه گیری مانند جرم، انرژی، تکانه و غیره، در این سیستم ثابت می مانند.

در فرایند های فیزیکی، در حالی که اطلاعاتی از جزئیات میکروسکوپی سیستم موجود نباشد، قوانین بقا به پیش بینی رفتار یک سیستم در سطح بزرگتر یا ماکروسکوپیک کمک می کند. به طور کلی برای تحلیل یک فرایند فیزیکی، در هر سیستمی یک حجم کنترل در نظر گرفته می شود. حجم کنترل مفهومی است در مکانیک سیالات و ترمودینامیک، که عبارت است از بخشی از فضا که مورد بررسی و مطالعه قرار می گیرد.این فضا می‌تواند فرضی یا حقیقی باشد. همچنین مرز این فضا با محیط اطراف به نام سطح کنترل شناخته می شود. برای مطالعه ی پدیده های فیزیکی، محاسبات معمولا محدود به این فضای حجم کنترل می باشد. به طوری که انرژی، کار، جرم و هر مقدار فیزیکی دیگری که به این حجم وارد شود و یا از آن خارج شود، در محاسبات در نظر گرفته می شود. تصویر زیر، نمایی از حجم کنترل را نشان می دهد.

 

در این تصویر، مربع مشکی رنگ کل سیستم مورد نظر می باشد، مربع قرمز رنگ حجم کنترل و یا محدوده ی محاسباتی را نشان می دهد. با دقت به تصویر می توان متوجه شد که مقادیر ورودی و خروجی به حجم کنترل، مانند حرارت، کار، جریان جرم و انرژی به دقت در نظر گرفته می شود.

 

با استفاده از قوانین بقا می توان مطمئن شد که مقدار های قابل اندازه گیری مانند جرم، انرژی، تکانه و غیره در این حجم کنترل، به اندازه ی مقدار اولیه موجود در این حجم کنترل به علاوه ی شار ورودی و خروجی به این حجم کنترل می باشد. اگر مقدار ورودی و خروجی به این حجم کنترل صفر باشد، این مقادیر ثابت می مانند و به عبارتی سیستم ایزوله می باشد.

 

قوانین بقا شامل کمیت های مختلفی می باشد که از جمله مهم ترین آنها انرژی، تکانه ی خطی، تکانه ی زاویه ای، جرم و بار الکتریکی می باشد. لازم به ذکر است که قوانین بقا در حوزه ی فیزیک کلاسیک اعمال می شود و در شرایط نا متعارف مانند سرعت نزدیک به نور و یا در ابعاد بسیار ریز قابلیت خود را از دست می دهند. به دلیل این که مفاهیمی که در اینجا بیان می شوند بیشتر کاربرد مهندسی دارند، به حوزه ی فیزیک کلاسیک بسنده می کنیم. در ادامه به توضیح مختصری از هر کدام از این قوانین می پردازیم.

 

قانون بقای انرژی

این قانون اعلام می کند که در یک حجم کنترل بسته، انرژی نه از بین می رود و نه ایجاد می شود، بلکه انرژی سیستم فقط می تواند تغییر فرم دهد. به عنوان مثال انرژی سیستم می تواند از شکل انرژی جنبشی تبدیل به انرژی حرارتی، شیمیایی و غیره تبدیل شود؛ اصطکاک یکی از پدیده هایی است که در آن، انرژی مکانیکی جسم به انرژی گرمایی بین مولکول های سطح تماس تبدیل می شود. مثالی دیگر از بقای انرژی، تبدیل متناوب انرژی پتانسیل پاندول در حال حرکت به انرژی گرمایی و مکانیکی می باشد.

ویدیوی زیر، کلاس درسی را نشان می دهد که پروفسور در آن سعی بر توضیح قانون بقای انرژی به صورت عملی را دارد. در این آزمایش، با توجه به این که انرژی در یک سیستم ایجاد نمی شود (و یا از بین نمی رود)، پروفسور توپ سنگین پاندول را نزدیک به صورت خود با سرعت اولیه ی صفر رها می کند و به هنگام بازگشت مطمئن است که توپ از حالت اولیه خود عبور نمی کند و خطری او را تهدید نمی کند.

 

قانون بقای تکانه خطی

تکانه یک مفهوم برداری است و به ضرب بین جرم و بردار سرعت جسم تکانه می گویند. طبق این قانون، جسم و یا مجموعه ای از اجسام در حال حرکت، تکانه ی خود را حفظ می کنند مگر این که یک نیروی خارجی به آنها وارد شود. با استفاده از قانون بقای تکانه ی خطی، می توان درک بهتری از مسائل برخورد پیدا کرد. یکی از مسائل برخورد، رفتار موشک است. اگر موشک و گازهای خروجی از آن را یک سیستم و حجم کنترل در نظر بگیریم، با خروج گاز های با سرعت بالا (و جرم کم) تکانه ای به اندازه جرم گاز خروجی در سرعت آن و در راستای مخالف به موشک وارد می شود. مقدار تکانه ی کل سیستم تغییری نمی کند، اما از یک بخش آن (گاز خروجی) به بخش دیگر (موشک) انتقال یافته است. شکل زیر، تصویری از انتقال مومنتوم بین گاز های خروجی و نازل موتور جت را نشان می دهد.

تصویری از خروجی نازل موتور جت. این سیستم با اعتماد به قانون بقای تکانه ی خطی برای تولید نیروی پیشران به وجود آمده است.

وسیله ای مشهور که به زیبایی مفهوم بقای تکانه ی خطی (همچنین بقای انرژی) را به تصویر می کشد، گهواره ی نیوتون است. این وسیله بیشتر به عنوان یک ابزار آموزشی در مدارس و یا سرگرمی اداره ای (وسیله ای جالب که جنبه ی کاری ندارد اما روی میز کار در شرکت گذاشته می شود)، استفاده می شود. این وسیله از چند گوی هم اندازه ساخته شده است که آویز شده اند. برخورد یک گوی به مجموعه ی گوی ها، فرار گوی انتهایی را در پی دارد. قانون بقای تکانه ی خطی ثابت می کند که با رها کردن یک گوی از یک سوی، فقط و فقط یک گوی از سوی مخالف به حرکت در می آید. تصویر زیر نمایی از این وسیله را نشان می دهد.

 

گهواره ی نیوتون، وسیله ای مختص به تصویر کشیدن قانون بقای تکانه ی خطی

 

قانون بقای تکانه ی زاویه ای

تکانه ی زاویه ای کمیتی برداری است، که برای بیان وضعیت حرکتی سیستم های در حال حرکت دورانی استفاده می شود. قانون تکانه ی زاویه ای بیان دارد که جسمی و یا سیستمی که به صورت مداوم در حال چرخش (و یا ثابت) است، به چرخش خود با همان آهنگ ادامه می دهد، مگر این که نیروی چرخشی و یا تورکی (گشتاور) به آن وارد شود. در این صورت، این نیروی چرخشی آهنگ حرکت این جسم و یا سیستم را تغییر می دهد. همانطور که نیرو باعث حرکت جسم می شود، گشتاور و یا تورک عاملی است که باعث حرکت دورانی جسم می شود. همانطور که در تصویر زیر معلوم است، تورک نیروی چرخشی می باشد که می تواند از اعمال نیروی خطی به بازوی با فاصله ی معین از محور دوران ایجاد شود.

 

تصویری از نحوه ی ایجاد نیروی چرخشی (در راستای بردار مشکی رنگ)؛ فاصله ی محل اعمال نیرو تا محور چرخش با بردار نارنجی رنگ مشخص شده است. همچنین، نیروی اعمالی در راستای بردار آبی رنگ می باشد.

 

ممان چرخشی هر سیستمی از حاصلضرب جرم آن سیستم، در فاصله ی آن جرم از محور چرخش، در سرعت عمود بر راستای چرخش آن جسم بیان می شود. شاید آشنا ترین ابزار فیزیکی که بر پایه ی این قانون اختراع شده است، ژیروسکوپ باشد. این وسیله در قرن هجدهم میلادی برای تعیین سطح افق در شرایط جوی مه آلود استفاده شده است. تصویر زیر، نمایی از این وسیله را نشان می دهد.

 

ژیروسکوپ، وسیله ای که بر اساس قانون بقای تکانه ی زاویه ای عمل می کند.

 

اکثر اسکی بازان نمایشی و یا ورزشکاران در ورزش شیرجه زنی از این اصل فیزیکی برای ایجاد حرکات نمایشی استفاده می کنند. مقدار کل تکانه ی زاویه ای ورزشکار تقریبا ثابت است اما با جمع کردن و باز کردن اجزای بدن خود مانند دستان و پاها، مقدار فاصله ی جرم بدن خود از محور چرخش را کم و زیاد می کنند و بدین صورت حرکات دورانی با دور های مختلف را به نمایش می گذارند. با دیدن ویدیوی زیر، این پدیده را می توان بهتر درک کرد.

 

 

قانون بقای جرم

طبق این قانون، در یک سیستم بسته، جرم نمی تواند تولید شود و یا از بین برود. این یک جمله ای کاملا بدیهی است، البته این قانون بدیهی فقط در حوزه ی مکانیک کلاسیک صادق است و به همین دلیل با حواس پنج گانه ی ما سازگاری دارد. طبق این قانون، واکنش های شیمیایی و یا تغییر فاز هایی مانند تبدیل جامد به گاز، گاز به مایع و غیره، فقط ظاهر ماده را دستخوش تغییرات قرار می دهد و مقدار جرم بدون تغییر می ماند.

 

قانون بقای بار الکتریکی

آخرین قانون بقایی که در این نوشته ارائه شده است، قانون بقای بار الکتریکی می باشد. طبق این قانون، در یک سیستم بسته، بار الکتریکی با گذر زمان تولید نمی شود و یا از بین نمی رود. در مقیاس اتمی، ذرات بار دار می توانند به صورت جفت های بار مثبت و منفی تولید شوند، اما در کل مجموع این بار های مثبت و منفی ایجاد شده صفر می باشد.

 

منابع:

https://www.britannica.com/science/conservation-law

https://en.wikipedia.org/wiki/Conservation_law

 

 

 

 


 

 

یک دیدگاه در ”قوانین بقا

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.