شرح و بررسی مسائل محاسباتی فیزیک و نجوم

روش های حل مسائل تکانه

در این مطلب به دو روش معمول حل مسائل تکانه در فیزیک کلاسیک می پردازیم

  • روش اول

در این روش رابطه   را مینویسم و با توجه به داده ها و وقایع مسئله آن را حل میکنیم. این روش حل معروف تر است و بیشتر در مسائل ساده تکانه بدرد می خورد.در واقع ما تعریف تکانه ای نیرو را می نویسیم و F را برابر تمام نیرو های خارجی مثل گرانش،کولنی و... قرار می دهیم و در سمت دیگر تساوی با توجه به سرعت خروج جرم و سایر متغیر ها پارامتر ها را انتخاب می کنیم و با حل معادله، خواسته سوال ( مثلا معادله مکان زمان) را بدست می آوریم؛ لازم به ذکر است که در این مسائل عموما (نه همیشه!) به حل معادلات دیفرانسیلی بر میخوریم (مسئله شماره 8 و مسئله شماره 9 اینگونه حل شدند)



  • روش دوم

 روش دوم تمام مسائل را حل میکند چراکه از خود تعریف تکانه نشات میگیرد. در این روش با توجه به شرایط مسئله عبارت P=mv (همان تعریف تکانه) را در دو زمان بسیار نزدیک می نویسیم و با رابطه نیرو و تکانه معادله را حل میکنیم. البته ابنجا هم به حل معادله دیفرانسیلی نیاز داریم . در آینده ان شاء الله چند مسئله ای را هم با این روش حل میکنیم.


در واقع هر دو روش یکی هستند اولی تعریف نیرو رو نوشته بعد حل میکنیم ولی در روش دومی مستقیم از روی تعریف تکانه حل میکنیم

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰
Alpha

مسئله گرما و حرارت

 

  • مسئله

یک قطعه فاز به جرم 800 گرم دمای 24 درجه سلسیوس را روی یک قطعه یخ بزرگ صفر درجه سلسیوس قرار می دهیم.چند گرم یخ ذوب می شود؟

(گرمای ویزه فلز و گرمای نهان ذوب یخ 0.2 و 336 کیلوژول برکیلو گرم سلسیوس و بر کیلو گرم است)

(ارسال شده توسط  "Matin")

 

 

  • جواب

معادلات گرما رو مینویسم و عدد گذاری میکنیم...

 مسئله گرما و حرارت

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰
Alpha

مسئله سرعت متوسط

 

  • مسئله

متحرکی 1/2 مسیرش را با سرعت 5 متر بر ثانیه طی میکند و در 1/3 مسیر باقیمانده را با سرعت 10 متر بر ثانیه حرکت می کند. اگر سرعت منحرک در بقیه مسیر 15 متر بر ثانیه باشد؛سرعت متوسط را بیابید.

(ارسال شده توسط  "M2ry2m")

 

 

  • جواب

فرض می کنیم طول کل مسیر  L است. از طرفی از روابط سینماتیک x=vt را میدانیم

دقت کنید! سوال در جمله دوم 1/3 ادامه مسر را گفته یعنی 1/6 کل مسیر.

مسئله سینماتیک 

۱ نظر موافقین ۱ مخالفین ۰
Alpha

مسئله موشک در میدان گرانشی

 

  • مسئله
(برگرفته از مثال 3-15 کتاب کلپنر )

موشکی به جرم M در فضا در یک میدان گرانشی در حال حرکت است. اگر سرعت اولبه موشک صفر و سرعت خروج گاز از موشک ثابت و برابر u باشد؛ رابطه ی سرعت و زمان موشک را بیابید.

 

  • جواب
حل این مسئله هم بسیار شبیه مسئله قبل است فقط برایند نیرو ها در این مسئله صفر نیست.
برای توضیحات بیشتر می توانید به مسئله قبل مراجعه کنید.

 

 

 

(برگرفته از مثال 3-15 کتاب کلپنر )
مسئله 2 تکانه
۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰
Alpha

حل مشتق و انتگرال

بعضی مسائل فیزیک و نجوم نیازمند مشتق و انتگرال هایی هستند که گاهی حل آن ها ممکن است بسیار وقت گیر باشد.
برای حل انتگرال های پیچیده میتوانید به این سایت؛
و  برای حل مشتق های پیچیده میتوانید به این سایت، مراجعه کنید.
البته اگر می خواهید در امتحانی شرکت کنید که نیاز به اینگونه محاسبات دارد توصیه می کنم که همه انتگرال و مشتق ها رو خودتون حل کنید!
۰ نظر موافقین ۱ مخالفین ۰
Alpha

مسئله موشک در فضای تهی

 

  • مسئله

(برگرفته از مثال 3-14 کتاب کلپنر )

موشکی به جرم M در فضا بدون این که نیرویی به آن وارد شود در حال حرکت است. اگر سرعت اولبه موشک صفر و سرعت خروج گاز از موشک ثابت و برابر u باشد؛ رابطه ی سرعت و زمان موشک را بیابید.

 

 

  • جواب
توضبحات (مهم):
1. M جرم موشک و در حال کاهش است ، m  هم جرم گاز آزاد شده است 
2.طبق سوال هیچ نیرو خارجی نداریم پس برایند نیرو ها صفر است.
3.اگر خواستید ببینید که  مشتق ها و انتگرال ها چگونه حل میشوند روی این لینک کلیک کنید.
4.دقت کنید  u منفی است. از این رو سرعت همواره مثبت است. 
5. کران بالای انتگرال جرم M است و کران پایین جرم اولیه است.  
مسئله موشک
(برگرفته از مثال 3-14 کتاب کلپنر )
 
 
۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰
Alpha

نیرو , تکانه و حرکت موشک ها (تغییر جرم)

قبل پرداختن به مسئله حرکت موشک ها به مدل ساده تر آن یعنی بادکنک(!) می پردازیم. فرض کنید که باد کنکی را باد کرده اید و سپس رهایش می کنید؛ چه میشود؟ بادکنک فورا از دست شما خارج می شود و پرواز می کند پس حتما  به آن نیرو وارد شده است . ولی چه نیرویی؟ در مسائلی که در آن تغییر جرم داریم باید از تکانه استفاده کنیم.

طیق تعریف دقیقتر، نیرو برابر است با تغییرات تکانه در واحد زمان به عیارت دیگر نیرو همان مشتق تکانه نسبت به زمان است F=dP/dt و تکانه(P) هم برابر است با حاصل ضرب جرم در سرعت پس P=mv حال طبق قوانین مشتق و با در نظر گرفتن این که جرم هم تغییر می کند:

تکانه    

پس تغییر جرم هم ایجاد نیرو می کند و در موتور های جت ، فضاپیما ها و... بسیار کاربرد دارد و موشک ها هم برهمین اساس حرکت می کنند.

برای مطالعه بیستر کتاب کلپنر فصل 3 رو پیشنهاد می کنم البته بحث تکانه و تغییر جرم تقریبا در تمام کتاب های فیزیک پیدا می شود.

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰
Alpha

مسئله برایند سه بردار

 

  • مسئله
 برایند سه بردار نیروی 3 ، 7 و 8 تیوتونی صفر شده است . زاویه بین نیرو های 3 و 8 نیوتونی را بیابید:
(ارسال شده توسط  "HZ")
 
  • جواب
بردار
 
۰ نظر موافقین ۱ مخالفین ۰
Alpha

مسئله تخمین ارتفاع ستون کتاب

 

  • مسئله
اگر کتاب های دانش آموزانی را که امسال فارغ التحصیل شدند را روی هم بچینیم؛برجی به ارتفاع چند متر درست می شود؟!
(فرض کنید امسال 13 میلیون نفر فارغ التحصیل شدند)
 
  • جواب
فرض می کنیم که هر دانش آموز 6 کتاب دارد و ضخامت هر کتاب 1 سانتی متر است.حالا (خیلی راحت) عدد ها رو در هم ضرب می کنیم و به جواب می رسیم!
ارتفاع برج برابر است با 6 ضرب در 0.01 ضرب در 13،000،000 که می شود 780،000 متر!
 البته مرتبه عدد مهم است که اینجا  106    است.
لازم به ذکر است که همیشه مسائل انقدر ساده نیستند!  
۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰
Alpha

مسئله تخمین حجم آب زمین

 

  • مسئله

حجم آب روی کره زمین را بر حسب کیلو متر مکعب بیابید؟

(شعاع زمین 6400 کیلومتر)

 

  • جواب

ابتدا حل این سوال سخت به نظر میرسد. ولی بسیار ساده و دقیق است!

میدانیم 3/4 سطح زمین را آب فرا گرفته و تقریبا میتوان حدس زد که میانگین عمق اقیانوس 3-4 کیلومتر است و اندازه سطح زمین را هم با توحه به شعاع میتوانیم حساب کنیم. پس کافیست 3/4 سطح زمین را در عمق اقیانوس ها ضرب کنیم و داریم جواب مسئله تخمین 1 . حال میتوانیم جواب را بیابیم.

1.اگر عمق اقیانوس را 3 کیلومتر و شعاع زمین را 6400 کیاومتر در نظر بگیریم جواب میشود(تقریبا) :  1,160,000,000 کیلومتر مکعب

2.اگر عمق اقیانوس را 3.5 کیلومتر و شعاع زمین را 6400 کیاومتر در نظر بگیریم جواب میشود(تقریبا) :  1,350,000,000 کیلومتر مکعب  

3.اگر عمق اقیانوس را 3.5 کیلومتر و شعاع زمین را 6370 کیاومتر در نظر بگیریم جواب میشود(تقریبا) :  1,339,000,000 کیلومتر مکعب

مقدار وقعی: 

جواب واقعی مسئله تخمین 1

و این نشان می دهد که جوابی که ما در مرحله اول بدست آوردیم بسیار نزدیک به مقدار واقعی بود و در مراحل بعد هر قدر اعداد دقیق تر شد ما هم به مقدار واقعی نزدیک تر شدیم

(البته هچگاه در مسائل تخمین از ما چنین دقتی نمیخواهند؛مهم مرتبه عدد است که اینجا مرتبه 10 بتوان 9 می باشد.  

۰ نظر موافقین ۲ مخالفین ۰
Alpha