سطح شیبدار

فرض کنید می خواهید وزنه ای سنگین را بلند کنید، آیا می توانید بدون صرف انرژی زیاد این کار را انجام دهید؟ فیزیک علمی است که فعالیت های سخت را برای شما ساده می کند.

ما دو پیشنهاد داریم:

1-استفاده از اهرم ها

2- استفاده از سطح شیبدار

بحث مربوط به اهرم ها را در علوم مطالعه کرده اید، در این شبیه ساز سطح شیبدار را مطالعه خواهیم کرد.

سطح شیبدار

در حالت عادی بخواهیم جسمی را بلند کنیم باید حداقل نیرویی معادل وزن آن ($F=mg$) به جسم وارد کنیم اما اگر از سطح شیبدار استفاده شود نیروی کمتری نیاز است. اگر از روابط هندسی استفاده کنید متوجه می شود نیرویی که برای حرکت جسم روی سطح نیاز است به صورت ($mgsin\theta$) می شود و می دانیم اندازه سینوس از زاویه صفر تا 90 درجه به صورت افزایشی است.

توجه1: اگر علت آن را نمی دانید وارد شبیه ساز دایره مثلثاتی شوید.

نیروی عکس العمل عمودی سطح به صورت ($mgcos\theta$) خواهد شد.

اکثر اوقات جسمی را بالای سطح شیبدار قرار داده و بررسی می کنیم که آیا جسم حرکت می کند یا نه، همچنین اگر حرکت می کند با چه سرعت و شتابی به پایین می لغزد.

برای بررسی این موارد باید تمامی نیروهایی که به جسم وارد می شود رسم کرده و در 2راستای کلی تجزیه کنیم.

توجه2: اگر تجزیه نیروها را فراموش کرده اید سراغ شبیه ساز آن بروید.

از مهم ترین موارد پرکاربرد زاویه سطح شیبدار و اصطکاک بین جسم و سطح است.

زاویه:

هرچه زاویه کمتر باشد، نیرویی که از طرف زمین در راستی سطح به جسم وارد می شود کمتر بوده و احتمال حرکت جسم کم است. به طبع اگر زاویه را افزایش دهیم جسم می تواند در راستای سطح شروع به لفزش کند.

اصطکاک:

بستگی به این که جسم یا سطح چه جنسی دارند اصطکاک متفاوتی خواهیم داشت، می توان مسئله را بدون اصطکاک یا با اصطکاک بررسی کرد.

نحوه کار با شبیه ساز

پس از فعال سازی، برای هر سطح شیبدار بلوکی انتخاب کرده و مشخص کنید جنس سطح از چه چیزی باشد. (پیشنهاد می شود یک سطح بدون اصطکاک بوده و سطح دیگر اصطکاک داشته باشد.) می توانید دکمه شروع را بزنید و مشاهده کنید چه اتفاقی می افتد. آیا هردو بلوک ها شروع به لغزش می کنند؟ اگر هردو حرکت می کنند، کدام یک زودتر می رسد؟

می توانید زاویه سطح را تغییر داده و تاثیر آن را روی سرعت حرکت بلوک ها مطالعه کنید.

علاوه بر این موراد می توانید از تب بالا سمت راست، گزینه جدول را انتخاب کرده تا اطلاعاتی که در طول مسیر از حرکت بلوک 1 ثبت شده (مثل سرعت و شتاب جسم در هرنقطه از مکان و زمان) مشاهده کنید.

با انتخاب تب انرژی می توانید میزان انرژی تلف شده ناشی از اصطکاک را در طول مسیر مشاهده کنید.

و اما مهم ترین تب: نمودار ها

شما می توانید بسیاری از نمودارهای مربوط به جسم مانند نمودار سرعت-زمان، شتاب-زمان، انرژی پتانسیل-زمان، انرژی جنبشی-زمان، سرعت-مکان، شتاب-مکان و سایر موارد را با استفاده از شبیه ساز ترسیم کنید.

پس از کار با شبیه ساز تلاش کنید به سوالات زیر پاسخ دهید:

1.برای سطح شیبدار اول بلوک چوبی با سطح یخی انتخاب کرده و برای سطح شیبدار دوم از بلوک یخی با سطح لاستیکی استفاده کنید.

الف) کدام یک زودتر به زمین می رسد؟

ب) باتوجه به داده های جدول بگویید چرا شتاب ثابت مانده اما سرعت تغییر می کند؟

پ) از فرمول هایی که در فصل دو فیزیک دوازدهم مطالعه کرده اید سرعت بلوک یخی هنگام رسیدن به زمین را حساب کنید. (جرم بلوک یک کیلوگرم می باشد.)

ت) نمودار انرژی-زمان این دو بلوک چه تفاوتی باهم دارند؟

2.برای سطح شیبدار اول بلوک فولادی با سطح یخی و زاویه 30 درجه انتخاب کرده و برای سطح شیبدار دوم از بلوک یخی با سطح فولادی با زاویه 20 درجه استفاده کنید.

الف) کدام یک زودتر به زمین می رسد؟

ب) مگر جنس بلوک و سطح یکسان نیست، پس چرا اتلاف انرژی دو سطح باهم متفاوت است؟

پ) نمودار انرژی پتانسیل-موقعیتx این دو سطح چه تفاوتی باهم دارند؟