دینامیک و مکانیزم حرکت
ساعت ٩:۱٤ ‎ب.ظ روز دوشنبه ۸ مهر ۱۳۸٧ : توسط : حسین


دینامیک از واژه لاتین به معنی حرکت شناسی گرفته شده است و در مکانیک کلاسیک بررسی دلایل حرکت و به بیانی دقیق بررسی حرکت به کمک نیروها و قوانین مربویه می‌باشد.

***متن مقاله در ادامه مطلب***


دید کلی

در حالت کلی حرکت یک ذره از دو دیدگاه مختلف می‌تواند مورد بررسی قرار گیرد به بیان دیگر می‌توان گفت، بطور کلی مکانیک کلاسیک که در آن حرکت اجسام مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد، شامل دو قسمت سینماتیک و دینامیک است . در بخش سینماتیک از علت حرکت بخشی به میان نمی‌آید و حرکت بدون توجه به عامل ایجاد کننده آن بررسی می‌شود. بنابراین در سینماتیک حرکت بحث بیشتر جنبه هندسی دارد.

اما در دینامیک علتهای حرکت مورد توجه قرار می‌گیرند. یعنی هر ذره یا جسم همواره در ارتباط با محیط اطراف خود و متأثر از آنها فرض می‌شود محیط اطراف حرکت را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به عنوان مثال فرض کنید، جسمی با جرم معین بر روی یک سطح افقی در حال لغزش است. در این مثال سطح افقی به عنوان یکی از محیطهای اطراف جسم با اعمال نیروی اصطکاک در مقابل حرکت جسم مقاومت می‌کند.

عوامل مؤثر بر حرکت

حرکت یک ذره معین را ماهیت و آرایش اجسام دیگری که محیط ذره را تشکیل می‌دهند، مشخص می‌کند. تأثیر محیط اطراف بر حرکت ذره با اعمال نیرو صورت می‌گیرد. بنابراین مهمترین عاملی که در حرکت ذره باید مورد توجه قرار گیرد، نیروهای وارد بر ذره و قوانین حاکم بر این نیروها می‌باشد.

قوانین حرکت

در قلمرو مکانیک کلاسیک ، یعنی در سرعتهای کوچکتر از سرعت نور حرکت اجسام مختلف بر اساس قوانین حرکت نیوتن بطور کامل قابل تشریح است. این قوانین عبارتند از:

قانون اول

این قانون که در واقع بیانی در مورد چارچوبهای مرجع می‌باشد، به این صورت بیان می‌شود هر جسم که در حال سکون ، یا در حالت حرکت یکنواخت در امتداد خط مستقیم باشد، به همان حال باقی می‌ماند مگر آنکه در اثر نیروهای خارجی مجبور به تغییر آن حالت شود.

قانون دوم

این قانون به صورتهای مختلف بیان می‌شود که یکی از آنها بر اساس تعریف اندازه حرکت خطی و دیگری برای تعریف شتاب حرکت می‌باشد. در حالت اول چنین گفته می‌شود که میزان تغییر اندازه حرکت خطی یک جسم ، با نیروی وارد بر آن متناسب و هم جهت می‌باشد. اما بر اساس تعریف شتاب گفته می‌شود که هر گاه بر جسمی نیرویی وارد شود جسم در راستای آن نیرو ، شتاب می‌گیرد که اندازه آن نیرو متناسب است.



img/daneshnameh_up/2/29/newtonlaw2.gif

قانون سوم

این قانون که تحت عنوان قانون عمل و عکس‌العمل معروف است، حتی در بعضی از رفتارهای اجتماعی نیز مصداق دارد. بیان قانون سوم به این صورت است که هر عملی را عکس‌العملی است که همواره با آن برابر بوده و در خلاف جهت آت قرار دارد. به عنوان مثال هنگام راه رفتن در روی زمین ، نیرویی از جانب و به طرف جلو بر ما وارد می‌شود که سبب حرکت ما به سمت جلو می‌شود، برعکس ما نیز بر زمین نیرو وارد کرده و آن را به سمت عقب می‌رانیم. ولی چون جرم زمین در مقایسه با جرم ما خیلی زیاد است، حرکت زمین به سمت عقب نامحسوس است.



img/daneshnameh_up/7/71/newtonlaw3.gif

قضیه کار و انرژی

در مکانیک برخلاف آنچه در بین عامه رایج است، واژۀ کار زمانی به کار می‌رود که بر روی جسمی نیرویی اعمال شده و آن را جابجا کند ، و یا موجب تغییر در حرکت آن شود. بنابراین در دینامیک حرکت کار مفهوم با ارزشی است. اما کار به دو صورت می‌تواند بر روی جسم انجام شود. فرض کنید‌، جسمی با سرعت معین در حال حرکت است‌، اگر بر روی جسم کار انجام شود، این کار یا می‌تواند سرعت حرکت جسم را افزایش دهد و یا اینکه مانع حرکت شده و سرعت جسم را کاهش دهد.

در حالت اول که سرعت جسم افزایش پیدا می‌کند، اصطلاحا گفته می‌شود که کار انجام شده ، سبب ذخیره انرژی در جسم می‌شود. اما در حالت دوم ما با صرف انرژی و انجام کار ، سرعت جسم را کاهش می‌دهیم. از اینرو انرژیی که وابسته به سرعت جسم بوده و انرژی جنبشی نام دارد، تعریف می‌شود و قضیه کار و انرژی جنبشی بیان می‌کند که کار انجام شده بر روی جسم متناسب با تغییر انرژی جنبشی آن است.

مکانیک لاگرانژی و حرکت جسم صلب

حرکت ذره یک حالت تقریباً ایده آل و آرمانی از حرکت واقعی اجسام در فضای سه بعدی است. یعنی در بعضی موارد ، تقریب حرکت جسم به عنوان یک ذره نمی تواند مفید واقع باشد. بنابراین در حالت کلی جسم به صورت یک جسم صلب در فضا در نظر گرفته می‌شود و با تعریف مختصات تعمیم یافته (که متناسب با نوع حرکت بعد آن معین می شود ) و نیروهای تعمیم یافته و با استفاده از معادلات لاگرانژ حرکت جسم مورد بررسی قرار می‌گیرد. معادلات لاگرانژ و یا به بیان بهتر فرمولبندی مکانیک لاگرانژ نسبت به مکانیک نیوتنی (بر اساس قوانین نیوتن) حالت کلی‌تر و کاملتری می‌باشد.

در مکانیک لاگرانژی ابتدا کمیتی به عنوان لاگرانژی (و یا هامیلتونین که برابر با تفاضل انرژی پتانسیل از انرژی جنبشی است) که به صورت مجموع انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل جسم تعریف می‌شود، محاسبه می‌گردد. و با قرار دادن آن در معادلات لاگرانژ ، معادله حرکت جسم حاصل می‌شود.

( زندگی قانون مند کائنات از حرکت بر روی زمین تا انبساط عالم بر پایه ی  تغییر درجه حرارت )
عامل اصلی حرکت و زندگی اختلاف درجه حرارت می باشد
نظری کلی به حرکت درطبیعت نشان می دهد:
1-
چنانکه معلوم است گرماآب دریارا تبخیر می کند. سپس بخارآب سبب ریزش برف وباران می شود یعنی اختلاف درجه حرارت آب را ازگودیهای زمین به مرتفعات میرساند. ازآنجا
جریان دیگری به سوی دریارفته درمسیرخود اشیاء رابه حرکت درمی آورد که بشرهم ازنیروی محرکه آن استفاده می کند.
2-
جریانهای آب گرم مانندگلف استریم که ازمنطقه حاره به طرف قطب جاری است وباعث تغییرآب وهوای نواحی وسیعی می شود همچنین جریانهای آب سرد که درکف اقیانوسها ازحدود قطب به نواحی گرم درحرکتند به سبب تغییرحجم آب به علت اختلاف درجه حرارت به وجود
می آیند.
3-
هوای سرد و سنگین هوای گرم و سبک را به بالاتر رانده جای آن رامی گیرند. این حرکت ایجاد باد و طوفان می کند که آن به نوبه خود امواج دریا ، شنهای صحرا،
 ابرها ودرختان وگیاهان را به جنبش درمی آورد.
بنابراین سبب پیدایش حرکات طبیعی مذکور تغییرحجم هوابه علت اختلاف درجه گرماست.
4- خردشدن سنگها به سبب یخبندان وزلزله که سبب اصلی آن نفوذ ورسیدن آب به نزدیکی قسمت ها و
شکافهای مربوط به هسته مذاب زمین وتبخیر ناگهانی آن است یابه علل معروف دیگر مظهردیگری ازحرکت است که به سبب تغییرحجم دراثر اختلاف درجه حرارت است.
5- پرتاب شدن گلوله اسلحه گرم وحرکت ماشین بخار وموتور دیزل وجت وغیرآنها همگی به سبب زیادشدن حجم ماده به علت بالارفتن درجه گرماست.

علت ازدیادحجم مواد منفجره و بنزین و غیره را واکنشهای شیمیایی و اکسیداسیون دانسته اند ولی به این حقیقت توجه شود که گازکربنیک بخارآب و سایر گازهای حاصله ازاحتراق و انفجار را با پایین آوردن درجه حرارت میتوان به مایع وجامد تبدیل کرد وبدین وسیله حجم آنها را به حجم ماده منفجره یا محترقه به اضافه حجم اکسیژن مایع رساند معلوم میشود که عامل و علت ازدیاد حجم حرارت است.


6-حرکات منظومه شمسی نیز ناشی
 از تغییر حجم ماده به علت اختلاف درجه حرارت است:

 یک نیمکره زمین پیوسته رو به خورشید است .تابش آفتاب آب اقیانوس ها وهوای جو را گرم کرده سبب انبساط آنها می شود در نتیجه به سطح آب وجو می افزاید . با لعکس در نیمکره دیگر سطح آب و هوا به منتهای تراکم رسیده و سطح آنها از همه جا پائین تر است زیرا در حدود 12 ساعت در سایه ی زمین قرار داشته اند. با لعکس در قاچی که نزدیک غروب است مواد سیال سطح زمین حداکثر انبساط را یافته وسطح آنها بالاتر از قسمت های دیگر است .
نیروی جاذبه ی زمین و حرکت وضعی و کرویت آن ایجاب می کند که سطح آبها و جو تقریبا کروی و به اصطلاح مستوی باشد به این جهت همیشه مقداری از آب وهوای قاچ مغرب به نواحی دیگر زمین رفته و قاچ مشرق قدری آب و هوای اضافی به دست می آورد (سبب تمایل به غربی _شرقی بودن جهت عمومی بادها و جریانهای دریائی یعنی موافقت با حرکت وضعی زمین نیز همین امر است . زیرا آب و هوای قاچ مغرب به علت ازدیاد حجم اکثرا به سمت نیمکره تاریک که حجم مواد سیال آن به سرعت رو به کاهش می رود جریان می یابند . بدیهی است که فشار ناشی از این حرکت خاصه هنگام برخورد به کوهها و سواحل نیز در حرکت وضعی زمین موثر است .این تمایل و اصولا انقباض وانبساط آبها در طی شبانه روز در جزر و مد دریا ها عامل اساسی است ظاهرا" آب در وسط اقیانوس ها چندان نوسان ندارد بلکه برخورد اثر جزر و مد به سواحل آن را شدید و با اختلاف زیاد نمایش می دهد.) در نتیجه جرم قاچ شرقی زیاد تر شده و بیشتر جذب خورشید می گردد . در حالیکه در قاچ غربی به علت کاهش جرم کمتر تحت تاثیر نیروی جاذبه خورشید است و نسبت به سایر قاچها از خورشید دور می شود .(چنان که قطعه چوب عکس جاذبه زمین از کف آب بالا می آید.) به این ترتیب حرکت وضعی زمین از تغییر حجم و تغییر جرم (سنگین وسبک شدن ) قاچهای آن به علت اختلاف درجه حرارت بوجود می آید .

چون در سطح ماه سیاله نیست یا مقدارآن ناچیز است این کره حرکت وضعی دیگری غیر از حرکت تابعه انتقالی ندارد . یعنی یا به علت آنکه نیمکره مقابل زمین جرم بیشتری دارد یا صرفا به سبب آنکه به زمین نزدیکتر است یا به هر دو جهت بیشتر از نیم کره ی دیگر جذب شده همیشه مقابل زمین قرار می گیرد همین امر سبب حرکت وضعی ماه می شود که با حرکت انتقالی آن مساوی است .
از اینجا دانسته می شود در سطح کرات منظومه ی شمسی که حرکت وضعی دارند ماده یا مواد سیال موجود است .
حرکت وضعی زمین خود به خود به علت چرخش نخستین و به سبب عدم برخورد به مانع دانسته اند ولی اگر کمی دقت کنیم معلوم خواهد شد درآن قاچ زمین که مقابل خورشید وهنگام ظهر است نیروی جاذبه ی خورشید بیشتر اثر دارد زیرا به آن نزدیک تر است واین وضع چون دائمی است سبب کاهش سرعت گردش زمین شده مانند ترمز خفیف در مدتی طولانی که موجب باز ایستادن آن از دوران می گردد.
بنابراین زمین دارای نیروی محرکه ای است که بر تمایل به سکون فزونی داشته وباعث حرکت وضعی است.
پیدایش ودوام حرکت انتقالی این گونه است :چون قسمت های مختلفه کره زمین دارای جرم های متفاوت اند اثر جاذبه ی خورشید روی آن قسمت ها یکسان نخواهد بود .به طور کلی از دو نیمکره ی زمین آنکه تقریبا بین ساعت 21 و 9 صبح قرار دارد سنگین تر از دیگری است (جرم بیشتری دارد ) لذا بیشتر جذب خورشید شده برنیمکره ی دیگر فشار می آورد عکس العمل نیمکره سبک در برابر این فشار باعث پرت شدن زمین در جهتی تقریبا عمود برجهت جاذبه وموافق جهت نیروی گریز از مرکز می شود یعنی
نتیجه می شود که  اثر نیروی جاذبه بر قسمتهای مختلفه کره در جهتی تقریبا موافق جهت نیروی گریز از مرکز است وچون وضع زمین در قبال خورشید از جهت اختلاف جرم دو نیمکره و قسمتهای مختلفه ی آنها تقریبا ثابت است جهت حرکت به مدار تبدیل می شود .ضمنا هر وقت زمین بخواهد قدری از خورشید دور شود بواسطه ی کاهش اثر نور وحرارت جرم دو نیمکره کمتر شده سبب کند شدن حرکت در مسیر و نتیجتا کاستن نیروی گریز از مرکز و نزدیکی مجدد زمین به خورشید می شود . عکس این وضع بر سرعت حرکت انتقالی افزوده ونیروی گریز از مرکز را بیشتر می کند در نتیجه زمین در مدار معین ( بیضی که دارای حضیض و اوج هست ) به دور خورشید میگردد.

شکل خاص مدار زمین هم به علت تغییر نسبت جرم دو نیمکره در طی سال است . حرکت انتقالی ماه به دور زمین نیزبه سبب اختلاف اثر جاذبه زمین بر قسمتهای مختلفه آن کره است . به طور کلی نیمکره نزدیک به زمین بیش از نیمکره ی دیگر جذب می شود . نتیجتا نیروها باعث پرت شدن ماه تقریبا در جهت نیروی گریز از مرکز خواهد شد یعنی ماه می خواهد از زمین دور شود ولی چون وضع آن در قبال زمین ثابت است و همیشه همان نقطه ی آن در امتداد خط مرکز ماه _مرکز زمین قرار دارد جهت حرکت به مقداری تبدیل میشود که مقدار فاصله با خورشید و در نتیجه اثر جاذبه ی زمین وخورشید شکل خاص آن را تعین می کند .
به نظر نویسنده حرکات وضعی و انتقالی( خود به خود) در هر جایی ناشی از همین قانون کلی فیزیکی است .
پیدایش فصول چهار گانه و ثابت ماندن محور زمین با تمایل معین نسبت به سطح مدار آن بدین سبب است : آب در چهار سانتی گراد به حداکثر سنگینی می رسد و در طرفین این درجه سبک می شود. در نقطه ی اعتدال ربیعی مقدار یخ ها .آبهای سنگین( در حدود 4 درجه ) وآب های گرم در دو نیمکره ی شمالی وجنوبی به حال تعادل است سپس یخهای قطب شمال تدریجا ذوب شده بر مقدار آب سنگین ( نزدیک به 4 سانتی گراد) می افزاید بدین سبب نیمکره ی شمالی و تمایل آن به خورشید به حد اکثر می رسد از آن پس به وسیله ی فزونی آب های گرم (زائد بر 4 سانتی گراد) در این نیمکره تمایل آن به خورشید کاهش می یابد تا آنکه مجددا در نقطه ی اعتدال تعادل برقرار میشود.
در پاییز وزمستان همین وضع برای نیمکره ی جنوبی پیش می آید یعنی در اول دی ماه قطب جنوب به جانب خورشید سبب سنگینی آن به حداکثر می رسد همچنین فزونی بارندگی در زمستان وبهار بر خشکی های نیمکره ی شمالی در ازدیاد جرم این نیمکره و تمایل به خورشید مؤثر است.

در حالی که در تابستان و پائیز به علت تبخیر.جرم خشکی ها ودریاچه ها ورود های نیمکره ی شمالی تقلیل می یابد.بدین ترتیب تمایل محورزمین همیشه نسبت به سطح مدارآن تقریبا" ثابت می ماند. ظاهرا"تعادل نیروی جاذبه درفضای بزرگ (کهکشانها) درایجاداین میل ثابت اثرناچیزی دارد . درپیدایش و ثابت ماندن قطبین زمین چنانکه یکی از دانشمندان کشف نموده است کمی تغییردرجه حرارت درشبانه روز نواحی قطبی موثر بوده است.ولی وضع نسبتا"ثابت فعلی قطبین به این جهت است که قوه جاذبه خورشید در نواحی استوایی زمین که دارای جرم بیشتری است تاثیرزیاد تری دارد. لذا ناحیه استوایی تقریبا"(با انحرافی که فوقا"علت آن ذکرشد)درسطح مدارزمین قرارگرفته است.
دورشدن کهکشان ها واجرام آسمانی ازهم دیگرنیز به عقیده وی انبساط جهان بزرک به علت تشعشع وگرما است.واساسا" اگرتشعشع وگرما نبود کلیه اجرام درمرکزجهان بدون هیچ گونه حرکتی روی هم متراکم می شدند.
به این ترتیب ثابت می شود که تغییردرجه گرما عامل اصلی کلیه حرکات غیرحیاتی است.به نظر وی قانون انبساط به سبب گرما و انقباظ دراثرسرما کلی و بلا استثناء است.

منابع: سایت فیزیک هوپا و دانشنامه ی رشد