دستگاه دوک و ریل که در کتاب آزمایشگاه دهم وجود دارد شاید در قدم اول عجیب و غیرممکن به نظر برسد اما اگر از دید درستی به آن نگاه کرده و تجزیه تحلیل کنیم متوجه می‌شویم که نه تنها قانونی نقض نمی شود، بلکه باعث درک بهتر مفاهیم می شود.

خلاصه آزمایش:

یک سطح شیبدار داریم، برای اثبات کافی است یک استوانه از بالای آن رها کرده و مشاهده می‌کنیم جسم به سمت پایین سطح شیبدار حرکت می‌کند. تا اینجای کار مشکلی نداریم اما زمانی که جسم دوکی شکل (برای ساخت دوک کافی است دو مخروط را از انتها به هم متصل کنیم) را بالای سطح شیبدار قرار دهیم، می‌بینیم که حرکت نمی کند! برعکس، اگر دوک را در پایین سطح شیبدار قرار دهیم شروع می‌کند به بالا رفتن!!

چطور چنین چیزی ممکن است؟ آیا مگر می‌شود جسم به طور خود به خود به بالا جرکت کند؟!

بیایید ابتدا با فیزیک مسئله آشنا شویم. در علوم هفتم و فیزیک دهم با انرژی پتانسیل و جنبشی و پایستگی انرژی آشنا می‌شویم. اگر جسم را در ارتفاعی نسبت به سطح زمین قرار دهیم، در آن انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره شده و می‌تواند به انرژی جنبشی تبدیل شده و جسم به سمت پایین حرکت کند.

توجه1: اگر بخواهیم جسم به سمت بالا حرکت کند باید روی آن کار انجام دهیم.

توجه2: برای آشنایی بیشتر می توانید به شبیه‌ساز چرخ ماکسول موجود در سایت مراجعه کنید.

در فصل یک فیزیک دهم با مدلسازی آشنا می‌شویم، اگر از دید مرکز جرم به حرکت اجسام نگاه کنیم متوجه می‌شویم که جسم واقعا به پایین حرکت می‌کند!

ابتدا دوک را یک نقطه فرض کنید (مرکز جرم دقیقا از دو راس دوک عبور می‌کند) و زمانی که در پایین سطح شیبدار است فاصله مرکز جسم تا سطح میز/زمین را اندازه گرفته و اجازه دهید جسم حرکت کرده و هنگامی که به بالای سطح شیبدار رسید دوباره فاصله مرکز جسم تا سطح میز/زمین را اندازه بگیرید. مشاهده خواهید کرد برخلاف تصور در حالت دوم، جسم فاصله کمتری نسبت به میز/زمین داشته که نشان دهنده این است که جسم واقعا به پایین حرکت کرده!

توضیح دوم: وقت دوک را در پایین سطح شیبدار قرار می‌دهید در واقع بخش ضخیم دوک رو ریل قرار گرفته و باعث می‌شود ارتفاع و در نتیجه انرژی پتانسیل گرانشی بیشتری داشته باشد. سپس با حرکت دوک، رفته رفته دو لبه سطح شیبدار از هم فاصله گرفته و باعث می شود دوک به داخل سطح شیبدار رود و در نتیجه ارتفاع آن کاهش یابد. پس حرکت رو به بالای جسم فقط یه حرکت ظاهری بوده و جسم واقعا به پایین می رود.

نتیجه: اگر از دید مرکز جرم به مسئله نگاه کنیم نه تنها قانونی نقض نشده بلکه به زیبایی فیزیک پی می بریم.

نحوه کار با شبیه‌ساز

پس از ورود به بازی تعاملی، در پایین سمت چپ یک دکمه سبز رنگ قرار دارد که با نگه داشتن و حرکت آن به هر جهت می توان دستگاه را در راستاهای مختلف مشاهده کرد. (پیشنهاد ما به شما تنظیم دوربین در حالتی است که به دستگاه مستقیم نگاه کنید.)

در پایین شبیه ساز یک لغزنده وجود دارد که با حرکت دادن آن می توانید فاصله دو لبه سطح شیبدار (زاویه راس سطح شیبدار) را تغییر دهید. همچنین در سمت چپ یک لفزنده دیگر وجود دارد که با حرکت آن می توانید ارتفاع سطح شیبدار را افزایش یا کاهش دهید.

برای شروع دوربین را تنظیم کرده و دکمه سبز موجود در سمت راست را فشار دهید تا حرکت دوک مجدد تکرار شود، سپس روی گزینه استوانه کلیک کرده تا استوانه‌ای از بالای سطح شیبدار رها شود تا مطمعن شویم واقعا با یک سطح شیبدار مواجهیم. حالا برای درک بهتر روی دکمه چشم کلیک کرده تا حرکت دوک و استوانه را از دید مرکز جرم مشاهده کنیم. نظر شما در مورد حرکت این دو جسم چیست؟ آیا قانونی نقض می شود؟ قطعا خیر:)

پرسش ها:

1- اگر زمانی که دوک در پایین سطح شیبدار است. زاویه راس سطح شیبدار را افزایش دهیم، یعنی دو لبه سطح شیبدار را از هم دور کنیم، آیا حرکت دوک تندتر می شود یا کندتر؟ چرا؟

2- اگر ارتفاع سطح شیبدار را افزایش دهیم، آیا حرکت دوک سریع‌تر می شود یا آرام‌تر؟ به نظر شما علت چیست؟

3- در برخی شعبده بازی ها، شخص یک لاستیک (یا هر جسم گرد) را کنار پله قرار داده و رها می کند. در کمال تعجب جسم شروع به بالا رفتن از پله می کند، با استفاده از مفاهیم که یاد گرفته اید این شعبده بازی را توجیه کنید.