ترن هوایی_ جلسه ششم

بررسی پیچ و خم های ریل

اهداف:

• روبه رو شدن یا پیچ های ریل

وسایل مورد نیاز:________

در جلسه گذشته هنگام طراحی پیچ های ریل با مساله ای مواج شدیم. با دیگر به شکل ریل های ترن بالا توجه کنید. اگر دقت کنید در پیچ ها علاوه بر چرخش ریل به سمت چپ یا راست، یک پیچ کمی هم در راستای عمودی داده شده است. به عبارتی ترن علاوه بر پیچیدن شیب کمی نیز به سمت درون پیچ می گیرد. به شکل زیر دقت کنید:

به نظر شما دلیل این شیب چه م تواند باشد؟ آیا موفق به انجام آزمایش دوچرخه سواری و ثبت مشاهدات خود شدید؟

اگر توانسته باشید آن را انجام دهید احتمالا متوجه شدید که در هنگام دور زدن نیروی دیگری نیز به بدن شما وارد می شود که می خواهد شما را از مسیر دایره ای منحرف کند. مثال بهتر این نیرو را در ماشین و پیچ تند جاده های تجربه کرده اید.

هنگامی که ماشین می خواهد با سرعت از پیچی به سمت چب عبور کند، به سرنشین ها در جهت مخالف پیچ، یعنی به سمت خارج از پیچ (سمت راست) نیرویی وارد می شود و اگر شدید باشد حتی آن ها را به آن سو هل می دهد.

این نیرو چیست؟

 فعالیت:

در کلاس در مورد این نیرو و تجربیات خود از آن صحبت کنید. به نظر شما این نیرو چیست و ناشی از چه چیزی است؟
به عبارت دقیق تر این نیرو می خواهد ما را به سمت خارج از مسیر دایره ای براند. در واقع اگر مسیر پیچ را دایره ای فرض کنیم که مرکز آن درون پیچ است، این نیرو مارا به سمت مخالف مرکز می راند. فکر کنم تا این جا دیگر نام این نیرو را متوجه شده باشید!
بله درست است! نیروی گریز از مرکز!

این نیرو را در شهر بازی ها زیاد می توان تجربه کرد. آیا تا به حال در شهربازی سوار سفینه چرخان شده اید. اگر نشده اید برای پیشبرد پروژه هم که شده یک بار آن را امتحان کنید، بلاخره کار علمی هم سختی های خودش را دارد!
دوستانی که این تجربه را دارند، می دانند که چگونه با شروع چرخش سفینه، نیروی محکم شما را با پشتی صندلیتان می چسباند. و حتما دیده اید که با افزایش سرعت چرخش، قدرت این نیرو هم بیشتر می شود.
نیروی گریز از مرکز، اجسام را به سمت خارج از مرکز دایره می راند و همان طور که گفتیم با سرعت چرخش نسبت مستقیم دارد.

  فعالیت:
به نظر شما چه عامل دیگری در اندازه این نیرو تاثیر دارد؟ با توجه به فعالیت دوچرخه سواری جلسه قبل می توانید به این سوال پاسخ دهید.
برای شناخت بیشتر این نیرو می خواهیم به همان تجربه ماشین و جاده بازگردیم.
اصطلاح پیچ تند را همه شنیده ایم. پیچ تند در واقع پیچی است که شعاع دایره آن کوچک است. شکل زیر به خوبی گویای این موضوع می باشد.

احتمالا تجربه کرده اید که در پیچ های تند، نیروی گریز از مرکز بیشتر از پیچ های باز می باشد. پس می توان این طور استنباط کرد که شعاع پیچ نیز عامل موثر دیگری بر اندازه نیروی گریز از مرکز است. در پیچ باز شعاع بزرگ تر و نیروی گریز از مرکز ضعیف تر است. در پیچ تند برعکس پس می توان این طور نتیجه گرفت که نسبت شعاع پیچ و نیرو می تواند معکوس هم باشد.

رابطه ریاضی که برای مقدار نیروی گریز از مرکز داریم به عبارتی به شکل زیر می باشد:

در این رابطه m جرم جسم، v سرعت خطی آن و r شعاع پیچ است. مشاهده می کنید که نسبت ها همان طور هستند که شما تجربه کردید.

حالاکه با این مفهوم نیز آشنا شدید، به بحث اصلی مان که پیچ در ریل ترن بود باز می گردیم. همان طور که گفتیم یکی از هیجانات متداول در ترن ها پیچ های تند هستند. حال دیگر می دانیم که پیچ تند آن هم با سرعت بالا یعنی v زیاد و r کم به طور همزمان. به نظر شما نتیجه این ترکیب چه می شود؟

 مساله:

ترنی با سرعت 10 متر در ثانیه پیچی با شعاع 10 متر را طی می کند. اگر جرم آن 100 کیلوگرم باشد. نیروی گریز از مرکز آن چقدر می شود؟

اگر سرعت دو برابر شود و شعاع نصف شود، این بار نیرو چقدر می شود؟

بله، مسلما نیرو بسیار زیاد می شود و نیروی گریز از مرکز می تواند آنقدر قوی شود (چون سرعت بسیار بالا هست) که ترن را از مسیر ریل خارج کند.

فکر کنم حال دیگر بتوانید دلیل شیب ریل روی پیچ را توضیح دهید! دقیقا علت آن این است که ترن را در برابر نیروی گریز از مرکز حفظ کند. همانطور که هنگام سفینه سواری پشتی صندلی شما را از پرتاب شدن به بیرون حفظ می کند.

می بینید که گاه همین محاسبات ساده می تواند چقدر مهم و حیاتی باشد و اگر این شیب روی ریل اعمال نشود چقدر خطرناک خواهد شد؟!

اکنون به سراغ ترن خودتان بروید و با توجه به مجموعه این نکات سعی کنید پیچ های آن را طراحی کنید.

پس دقت کنید که هنگامی که می خواهید پیچی در ریل ایجاد کنید، شیب را به گونه ای در نظر بگیرید که از پرتاب شدن تیله به خارج از پیچ جلوگیری کند. یعنی شیب به سمت داخل شیب باشد. اینکه شیب چه قدر باشد را می توانید به صورت تجربی بدست آورید. البته یک نکته مثبت این است که ریل شما به صورت نیمه استوانه است و خود این  کمک کننده می باشد.

 فعالیت:
می توانید در یک پیچ تند که سرعت تیله نیز بالا است یک بار با شیب و بار دیگر بدون شیب حرکت تیله را بررسی کرده و تاثیر نیروی گریز از مرکز را مشاهده کنید.

تکلیف: ____________
محل بازدید/ اردو/ خرید: ________________
منابع مطالعه: ________________

مطالب مرتبط:

ترن هوایی_ جلسه اول
ترن هوایی_ جلسه دوم
ترن هوایی_ جلسه سوم
ترن هوایی_جلسه چهارم
ترن هوایی_ جلسه پنجم
ترن هوایی_ جلسه ششم
ترن هوایی_ جلسه هفتم

بخش پروژه های دانش آموزی سایت تبیان
تهیه: سارا قیصری- تنظیم: علی سرمدی