2.1 تصویربرداری از حرکت (Picturing Motion)

انتظار می رود بعد از مطالعۀ این بخش بتوانید:

حرکت را با توجه به اهمیت چارچوب مرجع (frame of reference) توصیف کنید.
نمودارهایی را برای نشان دادن اینکه چگونه موقعیت یک شیء در چند بازۀ زمانی در یک چارچوب مرجع خاص تغییر می کند، ترسیم کنید.
داده های موقعیت و زمان را برای تعیین سرعت یک شیء تجزیه و تحلیل کنید.

در بررسی های مقدماتی، حرکت تیله ها را به طرق مختلف مشاهده کردید. برخی با نرخ (rate) یا سرعت (speed) ثابت حرکت می کردند. برخی در حالت سکون شروع می کردند و سرعت خود را افزایش می دادند، در حالی که برخی دیگر سرعت خود را کاهش می دادند. به نظر شما توصیف حرکت نسبی تیله ها و الگوی حرکت آنها چقدر آسان یا دشوار بود؟

اگرچه ممکن است فکر کنید می توانید به راحتی حرکت را بر اساس تجربیات روزمره شناسایی و توصیف کنید، اما وقتی شروع به بررسی دقیق دنیای فیزیکی اطراف خود می کنید، حرکت می تواند بسیار متفاوت از تصورات اولیه شما باشد. در مقدمه این فصل چند مثال مورد بحث قرار گرفت. برای توصیف حرکت به روشی معنادار، ابتدا باید به این سوال پاسخ دهید که "چه زمانی اجسام متحرک در نظر گرفته می شوند؟" برای پاسخ به این سوال به ظاهر واضح، باید یک چارچوب مرجع ایجاد کنید.

چارچوب مرجع (Frames of Reference)

شکل \(\text{2.1}\): بیش از 50 سال است که تولیدکنندگان فیلم از دوربین هایی استفاده می کنند که حرکت می کنند تا به شما به عنوان بیننده این حس را بدهد که در حال حرکت در صحنه فیلم و تعامل با بازیگران هستید.

تهیه‌کنندگان فیلم از تکنیک های مختلفی برای خلق تصاویری استفاده می‌کنند که حواس شما را فریب می‌دهند تا تصور کنید در حال تجربه انواع مختلف حرکت هستید. در سال‌های اولیه ساخت تصاویر متحرک، گروه‌های فیلمبرداری مانند آنهایی که در شکل 2.1 می بینید، می‌توانستند چرخ دستی های موتوردار را که دوربین‌های بزرگی را در صحنه فیلمبرداری حمل می‌کردند، برانند. تهیه کنندگان فیلم برای القای حس حرکت در ماشین به شما، یک صفحۀ بزرگ را پشت یک ماشین ثابت قرار می دادند و بر روی آن صفحه تصویر خیایانی در حال حرکت را به شما نشان می دادند. شما این تصویر را از داخل شیشۀ خودرو می دیدید و حس حرکت به شما القا می شد. امروزه گروه فیلم برداری ممکن است از دالی (یک نوع وسیله چرخ دار گاری مانند که دوربین را روی آن قرار می دهند) برای القای حرکت به بیننده استفاده کنند. بدین شکل که دالی همراه با خودرو در خیابان حرکت می کند. در این وضعیت گروه فیلم برداری و بیننده ها نسبت به خودرو که بازیگرها در آن هستند، در موقعیت ثابتی هستند. ساختمان ها و خیابان نسبت به بازیگران ثابت در حال حرکت هستند و بدین شکل حس حرکت را به شما منتقل می کنند.

چالش دوره: وارد شدن به مدار
بر روی انواع مدارهای کنونی که ماهواره ها در آنها مستقر می شوند، تحقیق کنید. بررسی کنید که کدامیک از انواع مدارها برای انرژی خورشیدی بر پایه فضا مناسبتر است. آیا ماهوارۀ مربوطه نسبت به زمین باید در حال حرکت باشد؟

پرونده فیزیک
حرکت شناسان معمولاً حرکات بدن یک ورزشکار را با استفاده از یک دوربین فیلمبردای که \(30\) فریم بر ثانیه تصویر برداری می کند، ثبت و ضبط می کنند. حرکت شناسان برای بررسی دقیق حرکات بدن ورزشکاران یک سری برچسب های بازتاب دهندۀ نور به قسمت های مختلف بدن ورزشکار متصل می کنند. بدین ترتیب قادر خواهند بود تا حرکات هر بخش از بدن آن ورزشکار را در حال دویدن، پارو زدن، شنا کردن، حرکت دادن یک راکت تنیس، یا پرش از ارتفاع مورد مطالعه قرار دهند. در نتیجۀ این مطالعات حرکت شناسان می توانند ورزشکاران را در مورد حرکاتی که منجر به آسیب زدن به مفاصل می شوند یا اینکه منجر به کشیدگی عضلات می شوند مورد مشاوره و راهنمایی قرار دهند تا از آن حرکات اجتناب ورزند. همچنین می توانند ورزشکاران را در مورد حرکات زائدی که منجر به اتلاف انرژی شان می شوند راهنمایی کنند تا از این نوع حرکات نیز پرهیز کنند و در نتیجه کارآیی ورزشکار را بهبود بخشند. اگر بدن انسان به درستی آموزش داده شود، ابزار شگفت انگیزی خواهد بود.

تصویر 2.2: آیا از این تصویر این طور برداشت می شود که این فضانورد با سرعت \(28,000\) کیلومتر در ساعت در حال حرکت در فضا می باشد؟

در زندگی روزمره، به نظر می رسد که سطح زمین چارچوب مرجع مناسبی را فراهم کرده است که از طریق آن می توانیم حرکت همۀ اجسام را در نظر بگیریم. با این حال، هنگامی که تلاش های علمی امروزه همچون پرواز هواپیماها و شاتل های فضایی را در نظر بگیریم، چارچوب مرجع زمین محدود خواهد بود. همینطور که معانی اصطلاحاتی همچون موقعیت (position)، سرعت سیر (velocity) و شتاب (acceleration) را بررسی می کنید، نیاز پیدا خواهید کرد تا چارچوب مرجعی را در نظر بگیرید که در آن اجسام متحرک در نظر گرفته می شوند.

با دقت فکر کنید و نتایج احتمالی را بررسی کنید

برای هر کدام از تصاویر بالا چارچوب مرجعی را توصیف کنید که در آنها مدادی که در جیب این خانم قرار دارد:
1. حرکت می کند
2. حرکت نمی کند

تصویر سازی حرکت

از آنجایی که برای مطالعۀ حرکت نیاز به ایجاد یک چارچوب مرجع دارید، طرح ها و نمودارها ابزارهایی حیاتی در این مطالعات می باشند. نمودارها چگونگی تغییر موقعیت یک جسم در ارتباط با یک قاب ثابت، در یک بازۀ زمانی خاص یا چندین بازۀ زمانی خاص را نشان می دهند. هنگامی که موقعیت یک جسم را در یک سری از تصاویر مورد بررسی قرار می دهید و با یکدیگر مقایسه می کنید، می توانید تعیین کنید که آیا شیء مربوطه در حالت سکون قرار دارد، در حال سرعت گرفتن است، سرعت آن در حال کاهش می باشد، و یا اینکه با سرعتی ثابت در حرکت می باشد.

نمودارهای شما می توانند به پیچیدگی تصاویری که با دوربین فیلمبرداری تهیه می کنید باشند، یا اینکه به سادگی چند آدمک یا فقط چند نقطه باشند. در هر دو حالت پیچیده یا ساده، شما باید این تصاویر را بر روی هم قرار دهید و اطمینان حاصل کنید که در هر کدام پس زمینۀ ثابتی از تصویر اصلی (حتی اگر فقط یک نقطه باشد) در تمامی این تصاویر مشخص باشد. این قسمت ثابت در واقع چارچوب مرجع شما می باشد. با دانستن زمان سپری شده بین هر کدام از این تصاویر، شما می توانید این تصاویر و نمودارهای ترکیبی را تجزیه و تحلیل کنید و جزییاتی از حرکت را تعیین کنید.

چهار طرحی که در شکل \(\text{2.3}\) می بینید، چهار نوع حرکت مختلف را تصویرسازی می کنند. هر کدام از این نمودارها موقعیت یک دونده را بعد از پنج بازۀ زمانی مساوی نشان می دهند. در طرح A، موقعیت دونده تغییری نکرده است، بنابراین این دونده در حالت سکون قرار دارد. در طرح B، موقعیت او در هر بازۀ زمانی مساوی به شکل برابر تغییر کرده است، بنابراین او در حال حرکت با سرعتی ثابت می باشد. در طرح C، موقعیت او به شکل فزاینده ای با توجه به زمان های مساوی، تغییری کرده است، بنابراین او در حال سرعت گرفتن است. در طرح D، موقعیت دونده در بازه های زمانی برابر به صورت کاهشی تغییر پیدا کرده است، بنابراین سرعت او در حال کاهش می باشد.

شکل \(\text{2.3}\): نمودارهایی که موقعیت یک دونده را بعد از پنج بازۀ زمانی مساوی تصویر سازی می کنند.

نمودار تصاویر ترکیبی یک دونده را می توان ساده تر هم کرد. می توان فقط از یک نقطه بر روی کمر آن دونده برای نشان دادن موقعیتش استفاده کرد. این نقطه تقریباً مرکز جِرم (centre of mass) دونده می باشد. به عبارت دیگر این نقطه به نحوی حرکت می کند که گویی کل جرم دونده در آنجا متمرکز شده است. شما می توانید فواصل بین این نقاط را اندازه گیری کرده و از روی آن حرکت دونده را تجزیه و تحلیل کنید. طرح های موجود در شکل \(\text{2.4}\) نشان می دهند که چگونه می توانید تصاویری صرفاً متشکل از نقاط را ترسیم کنید و تغییر موقعیت یک شیء در یک سری بازۀ زمانی خاص را در یک چارچوب مرجع نمایش دهید.

شکل \(\text{2.4}\): از نقطه ها می توان برای نشان دادن چگونگی تغییر موقعیت یک شیء در یک سری بازۀ زمانی خاص در یک چارچوب مرجع خاص استفاده کرد.

اهمیت حرکت نسبی (Relative Motion)

فرض کنید چارچوب مرجعی را انتخاب کرده اید که در آن شما در حالت سکون باشید. به عنوان مثال، هنگامی که در صندلی عقب خودرو در حال چُرت زدن هستید و آن خودرو به نرمی در حال حرکت در امتداد یک بزرگراه می باشد، ممکن است از حرکت خود نسبت به زمین بی اطلاع باشید. هنگامی که در یک هواپیمای مسافربری بزرگ هستید، این حس چشمگیرتر هم می شود. شما غالباً از حرکت تان نسبت به زمین کاملاً بی اطلاع هستید. شما تنها زمانی از این حرکت آگاه می شوید که چارچوب مرجع شما تغییر کند. اگر سرعت این خودرو یا هواپیما افزایش یابد، کاهش یابد، یا بچرخد، شما از تغییر حرکت در چارچوب مرجع آگاه می شوید. فیزیکدانان و مهندسان نیاز دارند که این حرکات نسبی و تأثیرات آن ها بر روی اشیائی که در آن چارچوب مرجع در حال سکون می باشند را درک کنند. همین طور که مسائل حرکت را حل می کنید و به مطالعۀ نیروها (forces) می رسید، همیشه چارچوب مرجع و حرکت آن را در نظر داشته باشید.

فیزیک و جامعه

فیزیک ایمنی خودرو

هنگامی که یک خودرو به صورت ناگهانی متوقف می شود، شما به حرکت تان ادامه می دهید. این مثال از قانون اول حرکت نیوتون، مسئول صدمات رانندگی بسیاری بوده است. رانندگان و مسافران بی شماری از تصادفات وحشتناک جان سالم به در برده اند، زیرا کمربند ایمنی شان را بسته بودند، البته کیسه هوا هم نقش مهمی در این قضیه بازی کرده است.

برای درک فیزیک پشت کیسه های هوا، تصور کنید خودرویی که در حال راندن آن هستید ناگهان با خودرویی که از روبرو می آید به صورت شاخ به شاخ تصادف کند. در لحظۀ برخورد خودرو شروع به کاهش سرعت می کند. سر و شانه های شما با سرعت زیاد به سمت جلو پرتاب می شوند و کیسه هوا از محفظه اش خارج می شود. کیسه هوا باید به سرعت باد شود، و قبل از این که سر شما به فرمان برسد، کامل باد شده باشد، و به محض برخورد سر شما با کیسۀ هوا، باید به سرعت شروع به تخلیه بادش کند. این عملیات منجر می شود که سرعت حرکت سر شما کاهش یابد. علاوه بر این، تأثیر برخورد شما با کیسۀ هوا بر روی بخش وسیع تری از بدن تان اِعمال می شود، اگر کیسه هوا نباشد این نیرو بر روی ناحیۀ کوچکتری در سر شما متمرکز می شود و مخرب تر می گردد.

همچنین فیزیک در طراحی لاستیک خودرو نیز نقش مهمی دارد. نکته کلیدی در این قضیه میزان سطح تماس لاستیک با جاده در هنگام ترمز گرفتن یا در هنگام چرخش می باشد. هر چقدر سطح تماس لاستیک با جاده بیشتر باشد، شما کنترل بیشتری بر روی خودرو خواهید داشت. همچنین مقاومت در برابر پدیدۀ هیدروپلنینگ (hydroplaning) در لاستیک خودروها نیز حائز اهمیت می باشد. این پدیده به دلیل این ایجاد می شود که در جاده های خیس و بارانی، آب بین لاستیک و زمین قرار می گیرد و کنترل خودرو از دست راننده خارج می شود. اسکی بازی را در حال اسکی کردن بر روی سطح آب تصور کنید، اگر سرعت این اسکی باز کاهش یابد، او دیگر نمی تواند در سطح آب باقی بماند و غرق می شود. اسکی بازان با سرعت بالا قادر به لغریدن بر روی سطح آب می باشند. این دقیقاً همان چیزی است که شما مایل نیستید در جاده های بارانی و لغزنده برای خودروی شما پیش آید. مهندسان از اصول مختلف فیزیک برای طراحی لاستیک های با شیارهایی مرکزی استفاده می کنند تا در هنگام حرکت بر روی سطح مرطوب، آب را از سطح لاستیک به سمت بیرون پمپ کنند و مانع از پدیدۀ هیدروپلنینگ شوند.