حفاظت از حرکت ، قانون عمومی فیزیک است که می گوید ارزش حرکت هرگز تغییر نمی کند و در مجموعه ای جدا شده اشیاء ثابت می ماند. به عبارت دیگر ، قانون حفاظت از حرکت می تواند به عنوان یک مقدار فیزیکی توصیف شود که قبل و بعد از برخورد دو یا چند شیء در یک سیستم ثابت باشد ، یعنی در صورت برخورد بین دو یا چند بدن ، ارزشحرکت قبل از برخورد همیشه برابر با ارزش حرکت بعد از برخورد است. برای درک مفهوم حفاظت از حرکت ، باید دانش خوبی از حرکت اصطلاح فیزیکی داشته باشد. حرکت یک مقدار فیزیکی است که تمایل به توصیف مقدار حرکت موجود در بدن متحرک دارد. از نظر ریاضی ، حرکت به عنوان محصول متقاطع جرم و سرعت تعریف می شود. از آنجا که سرعت یک مقدار بردار است ، مقدار به دست آمده به عنوان نتیجه انجام یک محصول متقاطع از سرعت و جرم ، یعنی حرکت نیز می تواند در دسته مقادیر فیزیکی بردار ذکر شود. این بدان معنی است که حرکت را می توان با کمک یک مقدار و جهت بزرگ توصیف کرد. جهت حرکت یک بدن همان جهت جهت سرعت آن است. واحد SI حرکت کیلوگرم در ثانیه است. حرکت به طور مستقیم با جرم یک جسم و سرعت که جسم در یک جهت خاص حرکت می کند متناسب است. این بدان معنی است که تغییر در جرم یا مقدار فیزیکی سرعت یک شیء باعث تغییر متناسب در ارزش حرکت آن می شود. یک شیء موجود در حالت استراحت ، از آنجا که میزان سرعت یک بدن بیکار همیشه برابر با صفر است ، از حرکت برخوردار نیست. تمام اشیاء موجود در جهان تمایل دارند بدون توجه به اندازه ، شکل ، مکان ، موقعیت و سایر پارامترهای فیزیکی یا شیمیایی ، قانون حفاظت از حرکت را دنبال کنند. از نظر ریاضی ، مفهوم حفاظت از حرکت نتیجه همگن بودن فضا است. این بدان معنی است که قوانین جسمی مانند قانون حفاظت از حرکت به موقعیت یک شیء مورد نظر بستگی ندارد.
فهرست مقاله (برای پرش کلیک کنید)
انواع حفاظت از حرکت
به طور کلی دو نوع قانون حفاظت از حرکت در زندگی واقعی وجود دارد ، یعنی قانون حفاظت از حرکت خطی و قانون حفاظت از حرکت زاویه ای.
1. قانون حفاظت از حرکت خطی
قانون حفاظت از حرکت خطی اساساً بیان می کند که حرکت بدن در اختیار بدن ثابت می ماند ، مگر اینکه یا تا زمانی که یک نیروی خارجی عملی شود. مفهوم حفاظت از حرکت خطی مبتنی بر اولین قانون حرکت نیوتن است که بیان می کند که یک شی تمایل دارد وضعیت حرکت مداوم یا استراحت خود را حفظ کند تا اینکه توسط یک نیروی خارجی مختل شود.
2. قانون حفاظت از حرکت زاویه ای
قانون حفاظت از حرکت زاویه ای بیان می کند که بدن تمایل دارد تا زمان برخورد با نیروی گشتاور خارجی ، وضعیت حرکت زاویه ای خود را حفظ کند. در مورد حرکت زاویه ای ، به جای توده ، لحظه بی تحرکی در نظر گرفته می شود. در حالی که ، به جای سرعت که شیء با آن حرکت می کند ، سرعت زاویه ای که با آن شیء می چرخد ، به آن اشاره می شود.
نمونه هایی از حفاظت از حرکت
انواع برنامه های زندگی واقعی وجود دارد که از مفهوم حفاظت از حرکت برای عملکرد و کار اساسی آنها استفاده می کند. نمونه های برخی از این برنامه ها در زیر ذکر شده است:
1. مکانیسم اسلحه و گلوله
مکانیسم شلیک گلوله یک اسلحه تمایل دارد نمونه ای برجسته از حفاظت از حرکت در زندگی واقعی را تشکیل دهد. هنگامی که ماشه اسلحه کشیده می شود ، مکانیسم داخلی اسلحه فعال می شود و یک گلوله در جهت حمل و نقل شلیک می شود. سرعت گلوله با پیشرفت به جلو می رود. این متناسب باعث افزایش حرکت گلوله می شود. برای تعادل این افزایش در حرکت ناشی از حرکت گلوله در سیستم ، اسلحه با همان نیروی یکسان در جهت مخالف کشیده می شود. در نتیجه ، حرکت در درون سیستم حفظ می شود و قانون حفاظت از حرکت تأیید می شود. مکانیسم اسلحه و گلوله همچنین به نشان دادن وجود قانون سوم حرکت نیوتن در زندگی واقعی کمک می کند.
2. بادکنک باد شده
یک بادکنک باد شده نمونه دیگری از اشیاء موجود در محیط اطراف ما است که نشان دهنده قانون حفاظت از حرکت است. هنگامی که یک بادکنک که به درستی با هوا باد می شود به محیط آزاد می شود ، مولکول های هوا موجود در داخل ساختار آن شروع به حرکت سریع به سمت بیرون به محیط اطراف می کنند. حرکت سریع مولکول های هوا به معنای افزایش سرعت در اختیار آنها است و افزایش سرعت نشانگر ایجاد ارزش حرکت است. برای تعادل در افزایش ارزش حرکت در سیستم ، بالون شروع به حرکت در جهت مخالف جهت حرکت مولکول های هوا می کند ، از این طریق حرکت را حفظ می کند و قانون حفاظت از حرکت را در زندگی واقعی نشان می دهد.
3. گهواره نیوتن
گهواره نیوتن یکی از بهترین نمونه های اشیاء زندگی واقعی است که به راحتی نشان می دهد قانون حفاظت از حرکت و همچنین قانون حفاظت از انرژی در زندگی واقعی. گهواره نیوتن به طور کلی یک اسباب بازی فیزیک ، یک قطعه تجهیزات آزمایشی یا یک مورد تزئینی در نظر گرفته می شود. این ماده به طور معمول از یک قاب فلزی چوبی یا فولادی و چهار تا پنج توپ کروی فلزی تشکیل شده است. توپ های کروی با کمک رشته ها یا سیم های کاملاً محکم به پایه پرتو بالای قاب در مسافت های مساوی وصل می شوند. توپ های کروی دارای مقادیر جرم یکسانی هستند و چند میلی متر بالاتر از پایه قاب آویزان هستند. قانون حفاظت از حرکت و انرژی را می توان با کمک گهواره نیوتن با کشیدن تعدادی از توپ های کروی به یک طرف دستگاه و آزاد کردن آنها پس از مدتی از فاصله ، به راحتی نشان داد. با توجه به حرکت آونگ که توسط توپ ها به نمایش گذاشته شده است ، توپ ها تمایل دارند به سمت توپ هایی که در حالت استراحت وجود دارند ، چرخانده و تحت یک برخورد قرار بگیرند. این منجر به انتقال انرژی از یک توپ به توپ دیگر می شود و به همین ترتیب تا زمانی که انرژی به توپ موجود در لبه شدید ترتیب برسد. در نتیجه انتقال انرژی و حرکت بین توپ ها ، همان تعداد توپ ها در همان فاصله در طرف دیگر اسباب بازی جابجا می شوند. همین روش را می توان دوباره و دوباره با تغییر تعداد توپ های کشیده شده و آزاد شده تکرار کرد تا بررسی کند که آیا همان تعداد توپ ها به طرف دیگر اسباب بازی جابجا می شوند ، از این طریق وجود قانون حفاظت از انرژی و حرکت را تأیید می کنددر زندگی واقعی.
4- برخورد دو شیء
با مشاهده روند کامل برخورد دو شیء که با سرعت مربوط به آنها به سمت یکدیگر حرکت می کنند ، می توان به راحتی قانون حفاظت از حرکت را درک کرد. برای این منظور ، فرض کنید این دو شی ، می گویند دو توپ دارای جرم M1 و M2 به ترتیب با سرعت V1 و V2 به سمت یکدیگر حرکت می کنند. این دو شیء یا توپ تمایل به برخورد با یکدیگر دارند که فاصله بین آنها تقریباً برابر با صفر باشد. در نتیجه برخورد ، هر دو توپ در جهت های مخالف تأثیر نیروهای قدر مساوی را متحمل می شوند که باعث می شود توپ ها در جهت های مخالف حرکت کنند. بزرگی نیروهایی که بر روی توپ های فردی عمل می کنند می تواند با ارزیابی میزان تغییر در حرکت توپ ها محاسبه شود. از نظر تئوری و همچنین در عمل مشاهده می شود که مجموع حرکت هر دو توپ قبل از برخورد برابر با مجموع حرکت هر دو توپ پس از برخورد است. نیروی ضربه ناشی از برخورد با افزایش جرم و سرعت اشیاء افزایش می یابد. این بدان معناست که اشیاء با سرعت بیشتر یا اشیاء که به طور قابل توجهی بیشتر از جرم هستند می توانند باعث تخریب شدید شوند یا نیروی ضربه ای با بزرگی بالا ایجاد کنند زیرا چنین اشیاء در نهایت دارای یک حرکت با بزرگی بالایی هستند.
5. بیلیارد و اسنوکر
بازی های بیلیارد و اسنوکر تمایل دارند نمونه دیگری از برنامه های کاربردی را تشکیل دهند که به راحتی نشان می دهد قانون حفاظت از حرکت در زندگی واقعی است. هر دو ، بیلیارد و بازی های اسنوکر به نظر می رسد که در نوع مشابهی از تنظیم بازی بازی می شوند. با این حال ، تفاوت بین این دو بازی در این است که بیلیارد در یک میز بازی بازی می شود که هیچ جیب ندارد ، در حالی که جدول بازی یک بازی Snooker شامل جیب های متعدد است. همچنین ، بازی بیلیارد با کمک سه توپ بازی انجام می شود ، در حالی که اسنوکر با نه تا پانزده توپ بازی می شود. بازیکنی که در هر دو بازی بازی می کند ، با کمک چوب نشانه ، توپ ها را به ترتیب خاصی به توپ می زند. در نتیجه ، توپ ها با یک مقدار سرعت شروع به حرکت می کنند و حرکت می کنند. حرکت در طول فرآیند در سیستم حفظ می شود. در صورت برخورد توپ های متحرک با یکدیگر ، بزرگی و جهت حرکت هر توپ به همین ترتیب تغییر می یابد تا توجیه کند که مجموع حرکت کل در سیستم قبل از برخورد همیشه برابر است با مجموع حرکت درسیستم پس از برخورد
6. بولینگ
بولینگ بازی دیگری است که به فرد کمک می کند تا به راحتی مفهوم قانون حفظ حرکت در زندگی واقعی را درک کند. بولینگ اساساً یک ورزش هدف است که هدف آن غلتاندن یک توپ هوی متالیک در مسیر بازی در جهت یک پشته مرتب شده از پین‌ها است تا تا آنجا که ممکن است پین‌ها را به زمین بیاندازد. وقتی بازیکن توپ بولینگ را می غلتاند، شروع به حرکت و افزایش سرعت می کند. در نتیجه، مقدار قابل توجهی تکانه در توپ غلتان ایجاد می شود. در این لحظه خاص، پین‌ها اصلاً حرکت نمی‌کنند، و از این رو دارای تکانه نیستند زیرا مقدار سرعت اولیه پین‌ها همچنان برابر با صفر است. وقتی توپ بولینگ به پین ها برخورد می کند، حالت استراحت پین ها تحت تأثیر قرار می گیرد و پین ها شروع به حرکت می کنند. این بدان معنی است که پس از برخورد و در حین برخورد، پین ها شروع به افزایش سرعت و حرکت می کنند. در چنین حالتی، می توان مشاهده کرد که حرکت اجسام مختلف در سیستم بازی بولینگ قبل و بعد از برخورد در طول فرآیند حفظ می شود، بنابراین قانون حفظ تکانه را می توان به راحتی با مشاهده یک بازی بولینگ تأیید کرد.
7. موشک
موشک یک فضاپیما یا وسیله نقلیه هوایی است که معمولاً از نیروی رانش تولید شده توسط موتور موشک برای پرواز خود استفاده می کند. موشک به طور کلی به فضا پرتاب می شود و برای کاربردهای مختلف تحقیق و توسعه علمی استفاده می شود. سوخت مورد استفاده راکت‌ها معمولاً شامل هیدروژن مایع، اکسیژن مایع، پراکسید هیدروژن، هیدرازین و غیره است. ترکیب شیمیایی سوخت‌های موشک تمایل به تولید مقدار زیادی انرژی دارد که می‌تواند به بدنه عظیم خودرو کمک کند تا مستقیماً به سمت بالا شلیک کند. به فضا پرتاب شودنوع سوخت مورد استفاده راکت ها باید بر اساس نوع کاربرد، میزان بار موجود در موشک، نوع مواد مورد استفاده برای ساخت وسیله نقلیه و ویژگی های فیزیکی موشک با دقت انتخاب شود. قانون بقای تکانه را می توان با نگاه کردن به پرواز یک موشک به راحتی مشاهده کرد. زیرا اگر جهت خروج سوخت از موشک و جهت پرتاب موشک را از نزدیک مشاهده کنید، متوجه خواهید شد که دقیقاً مخالف یکدیگر هستند. همچنین بزرگی نیرویی که سوخت موشک به زمین وارد می کند، متعادل و متناسب با بزرگی نیروی رانشی است که موشک با آن در جهت رو به بالا حرکت می کند. این بدان معنی است که تکانه سوخت موشک و بدنه موشک کاملاً متعادل است و در طول فرآیند در سیستم حفظ می شود، از این رو یک موشک به خوبی کاربرد قانون بقای تکانه را در زندگی واقعی نشان می دهد.
8. ترقه
ترقه ها اساساً اسباب بازی هایی هستند که حاوی مواد شیمیایی مختلف بی ضرر و در عین حال خطرناک هستند که به دلیل تغییر در دما یا مقدار فشار یا اعمال نیروی مکانیکی تحریک می شوند. بیشتر ترقه ها منجر به شکل گیری الگوهای نور خلاق رنگارنگ در اطراف می شوند. رنگ ذرات نور ساطع شده توسط ترقه معمولاً به نوع ماده شیمیایی موجود در ساختار داخلی ترقه بستگی دارد. هنگام روشن کردن فشفشه به راحتی می توان متوجه شد که جهت حرکت ترقه برخلاف جهتی است که در آن انرژی مواد شیمیایی موجود در ترقه آزاد می شود. حاصل ضرب جرم و سرعت فشفشه، تکانه ترقه را می دهد، در حالی که سرعتی که ماده شیمیایی با آن آزاد می شود یا مصرف می شود برابر جرم ماده شیمیایی، تکانه ترکیب شیمیایی ترقه را فراهم می کند. جهت حرکت ترقه با جهت سرعت پیشروی آن در محیط یکسان است. به همین ترتیب، جهت حرکت ماده شیمیایی با جهت سرعتی که با آن آزاد می شود یا مصرف می شود، یکسان است. مقدار کل تکانه موجود در سیستم در طی فرآیندی که ترقه مشتعل می شود و پس از اینکه به درستی فعال شد ثابت می ماند. این نشان دهنده کاربرد برجسته قانون بقای تکانه در زندگی واقعی است.
9. چرخش زمین
چرخش زمین یک مثال کلاسیک از قانون بقای تکانه زاویه ای است، زیرا بدیهی است که زمین از زمان شکل گیری منظومه شمسی در امتداد محور خود می چرخد. تا به امروز، چرخش زمین تحت تأثیر هیچ نیروی پیچشی یا گشتاور خارجی قرار نگرفته است، به این معنی که تکانه زاویه ای زمین همچنان حفظ شده است و مانند ابتدا است.
10. چرخاندن یک شی
چرخاندن یک صفحه یا یک توپ روی انگشت یا چوب نمونه دیگری از کاربرد قانون بقای تکانه زاویه ای در زندگی واقعی است. زیرا در این حالت جسم به چرخش خود ادامه می دهد یا حالت حرکت چرخشی پیوسته خود را در امتداد محور خود حفظ می کند تا زمانی که تحت تأثیر یک نیروی خارجی مانند مقاومت یا کشش هوا، نیروی گرانش، نیروی عضلانی و غیره قرار گیرد.
11. پرتاب توپ
هنگامی که شما یک توپ را در هوا پرتاب می کنید یا آن را روی زمین می چرخانید ، تمایل دارد تا در جهت پرتاب با یک مقدار سرعت خاص حرکت کند تا یک نیروی خارجی یا ترکیبی از دو یا چند نیرو خارجی مانند نیروی اصطکاک ،نیروی ضربه ، نیروی عضلانی ، مقاومت در برابر هوا یا کشیدن و غیره شروع به عمل بر روی سطح توپ می کند. این بدان معناست که حرکت توپ تا زمانی که یک نیروی خارجی روی سطح آن عمل کند حفظ می شود و حرکت یکنواخت توپ را مختل می کند.
12. اسکیت باز یخ
یک اسکیت باز یخ تمایل به تأیید و نشان دادن وجود قانون حفاظت از حرکت زاویه ای در زندگی واقعی دارد که او شروع به چرخش روی سطح یخ می کند. به راحتی می توان مشاهده کرد که بازیکن با حرکت دادن بازوهای خود به سمت و دور از بدن خود قادر به تعدیل سرعت چرخش خود است. با سرعت زیاد بازیکن افزایش می یابد زیرا بازیکن بازوهای خود را به سمت بدن می کشد ، در حالی که وقتی بازیکن بازوهای خود را از بدن دور می کند ، سرعت کاهش می یابد. این امر به این دلیل است که با کشیدن بازوها به سمت داخل ، اسکیت باز تمایل به کاهش لحظه عدم تحرک بدن خود را کاهش می دهد زیرا جرم بدن در این حالت متمرکز است. برای تعادل این امر یا حفظ حرکت زاویه ای اسکیت باز به یک مقدار ثابت ، افزایش متناسب در سرعت زاویه ای القا می شود. به همین ترتیب ، با حرکت دادن بازوها به بیرون یا به دور از بدن ، اسکیت باز مقدار لحظه عدم تحرک بدن خود را افزایش می دهد ، در نتیجه سرعت چرخش کاهش می یابد ، که در عوض سرعت چرخش اسکیت باز را کاهش می دهد.
13. شخصی که در صندلی اداری می چرخد
هنگامی که فردی روی صندلی اداری که قابلیت چرخش 360 درجه را دارد می نشیند و شروع به چرخیدن می کند، به راحتی می تواند با حرکت دادن دستان خود به سمت مرکز صندلی یا دور شدن از آن، سرعت چرخش صندلی را کنترل کند. قانون جهانی فیزیک که به این مدولاسیون سرعت صندلی کمک می کند به عنوان قانون بقای تکانه زاویه ای شناخته می شود. هنگامی که کاربر دست های خود را به سمت مرکز صندلی در حال چرخش در امتداد محور آن حرکت می دهد، ممان اینرسی بدنه کاهش می یابد و سرعت چرخش صندلی افزایش می یابد. به همین ترتیب، هنگامی که کاربر دست های خود را از مرکز صندلی چرخان دور می کند، مقدار ممان اینرسی بدنه افزایش می یابد، در حالی که سرعت چرخش صندلی کاهش می یابد. در هر دو مورد، مقدار تکانه زاویه ای ثابت می ماند یا حفظ می شود. سواری های مختلفی در شهربازی ها و موزه های علم وجود دارد که روی پدیده ای مشابه کار می کنند و به نشان دادن وجود و کاربرد قانون حفظ حرکت زاویه ای در زندگی واقعی کمک می کنند.
14. فیجت اسپینر
فیجت اسپینر اساساً یک اسباب بازی مدیریت استرس و اضطراب است که از یک مکانیسم بلبرینگ متصل به مرکز آن و قاب پلاستیکی یا فلزی تشکیل شده است که آرایش مکانیکی داخلی اسباب بازی را می پوشاند. کاربر باید اسباب بازی را از مرکز بین انگشت شست و انگشت میانی خود نگه دارد و با کمک نیروی فشاری که توسط انگشت اشاره اعمال می شود به آن بچرخد. اسپینر تا زمانی که انرژی جنبشی ایجاد شده توسط آن به طور کامل مصرف نشود به چرخش ادامه می دهد. این بدان معنی است که حرکت زاویه ای اسباب بازی در حال چرخش تا زمانی که با نیروی پیچشی خارجی یا گشتاور بر روی آن وارد شود، حفظ می شود. در این مورد خاص، مقاومت هوا، که به عنوان نیروی کششی یا نیروی مکانیکی نیز شناخته می شود، می تواند به عنوان نمونه ای از نیروهای خارجی عمل کند که ممکن است حرکت چرخشی یکنواخت یا رفتار چرخشی اسباب بازی را مختل کند. در یک محیط ایده آل، جایی که هیچ شانسی برای مقاومت هوا یا هیچ نیروی خارجی دیگری روی اسباب بازی وجود ندارد، فیجت اسپینر برای همیشه به چرخش ادامه می دهد.
15. فرفره
فرفره نخ ریسی نمونه دیگری از موارد استفاده روزانه است که تمایل دارد قانون بقای حرکت را در زندگی واقعی نشان دهد. در اینجا، تکانه زاویه ای بالای چرخان در حالی که حرکت چرخشی را نشان می دهد حفظ می شود و تحت تأثیر هیچ شکلی از نیروی خارجی قرار نمی گیرد.
16. Flip-it Fidget Toy
اسباب بازی Flip-it Fidget نمونه دیگری از اسباب بازی های تسکین دهنده استرس و مدیریت اضطراب است. یک اسباب بازی فیجت فلیپ آن مکعبی شکل است و لبه ها و صورت های منحنی دارد. اگر کاربر اسباب‌بازی را به یک جهت هل دهد، این اسباب‌بازی را بارها و بارها به چرخش خود ادامه می‌دهد تا زمانی که با نیروی مقاوم خارجی مواجه شود که حرکت یکنواخت جسم را ممنوع می‌کند. حرکت بدن در امتداد یک خط مستقیم نشان دهنده وجود تکانه خطی است که می توان مقدار آن را با حاصل ضرب جرم اسباب بازی و سرعت حرکت آن محاسبه کرد. تکانه خطی در یک اسباب بازی فیجت متحرک تا زمانی که با اعمال نیروی مکانیکی متوقف شود، حفظ می شود.
17. پروژه نخ نی و واشر
برای درک مفهوم قانون بقای تکانه زاویه ای با کمک یک پروژه خودساخته، کاربر ملزم به همراه داشتن یک نی، یک ریسمان و یک جسم کوچک سنگین مانند واشر است. اولین مرحله پروژه این است که نخ را از نی عبور دهید و جسم کوچک را به یک سر نخ ببندید. مرحله دوم این است که اجازه دهید انتهای آزاد رشته آزادانه از طرف دیگر نی آویزان شود. اکنون تنظیمات را نگه دارید و شروع به آزمایش اجرا کنید. نی را به آرامی بچرخانید و جسم کوچک متصل به ریسمان را در جهت دایره ای به اطراف بچرخانید. اکنون انتهای آزاد رشته را بکشید و رفتار جسم در حال چرخش را مشاهده کنید. به راحتی می توانید مشاهده کنید که سرعت چرخش واشر یا جسم کوچکی که به ریسمان بسته شده است با کشیدن یا رها کردن انتهای شل نخ متفاوت است. این به این دلیل است که طبق قانون بقای تکانه زاویه ای، مقدار گشتاور اینرسی جسم دوار یا مقدار سرعت زاویه ای که با آن حرکت می کند تحت تأثیر قرار می گیرد تا مقدار تکانه زاویه ای ثابت بماند.
