اندازه گیری وزن فضانوردان در حالت “بی وزنی”

شکل 1: فضانورد ناسا، گرات ریزمن، مهندس پرواز ماموریت 16 ناسا، از دستگاه اندازه گیری جرم بدن در ایستگاه بین المللی فضایی استفاده می کند.

در دوره های فیزیک پایه در هنگام تدریس مباحث مکانیک کلاسیک، معمولا مسئله «وزن» جسم در هنگام سقوط آزاد را در نظر می گیرند. حل این مسئله نشان می دهد که وزن جسم در حال سقوط آزاد، صفر است [1] و این به بخث پیرامون مفهوم وزن می انجامید [2,3]. وضیعت های سقوط آزاد مداوم همچون فضانوردان درسفینه های در حال گردش به دور زمین، وجود دارند، که به طور نمونه می توان به ایستگاه فضایی بین المللی اشاره کرد. در هر صورت کنترل هرگونه تغییرات جرم فضانوردی که در سفینه ای به دور زمین در حال گردش است، برای سلامتی او مهم است.  این مقاله به چگونگی اندازه گیری جرم فضانورد در حال سقوط آزاد می پردازد.

در وبگاه ناسا، اسناد مختلفی به تعریف «دستگاه اندازه گیری جرم بدن»1 (BMMD) پرداخته اند [4]. این اسناد نشان می دهند که بنگاه های فضایی برای اندازه گیری جرم فضانورد به مفهوم فیزیکی متفاوتی روی آورده اند که حرکت نوسانی هماهنگ ساده است! آنها مسئله اندازه گیری جرم فضانورد را به اندازه گیری دوره (یا بسامد) صندلی در حال نوسانی تبدیل کرده اند که فضانورد بر روی آن نشسته است (شکل 1). لذا مسئله ای که باید حل شود این است که: چگونه میتوان با اندازه گیری حرکت صندلی در حال وسان، جرم لختی فضانورد در ایستگاه فضایی در مدار را اندازه گرفت؟

صندلی به فنری متصل است که آن نیز به نوبه خود به کف ایستگاه بسته شده است. فضانورد، فنر را متراکم می کند و سپس همراه آن به نوسان در می آید که تقریبا به صورت حرکت نوسانی ساده است.

 

بسامد زاویه ای این حرکت که از رابطه $ \omega= \sqrt{\frac{k}{m}} $ به دست می آید که در آن k ثابت فنر و m جرم جسم در حال نوسان است. چون دوره نوسان برابر با $\frac{2 \pi}{\omega}$ است، می توان جرم را از رابطۀ $ m = \frac{kT^2}{4 \pi^2} $ به دست آورد. این دستگاه را می توان با اندازه گیری دوره نوسان چند جرم مشخص و محاسبه مقدار k مدرج کرد، سپس میتوان با اندازه گیری دوره نوسان فضانورد، جرم او را محاسبه کرد.

 

آزمایش سادۀ BMMD

در این آزمایش، از یک صندلی متصل به سکویی استفاده کردیم که روی چرخ های با اصطکاک کم قرار داشت. فنرهای تحت کشش، دو سر سکو را به تکیه گاه های صلب متصل می کردند (شکل 2). دوره ی حرکت نوسانی را می شد مستقیما با یک زمان سنج یا مانند آزمایش ما با استفاده از حسگر اندازه گرفت.

شکل 3 با کمک نرم افزار، نمودار مکان – زمان شاگردی را نشان می دهد که بر روی صندلی، نوسان می کند [5,6]. دوره نوسان با برازش منحنی سینوسی بر بخشی از داده های نمودار مکان – زمان به دست آمده است (که در شکل با منحنی کم رنگ تر نشان داده شده است). یک راه دیگر محاسبه دوره نوسان برازش منحنی سینوسی میرا به تمام منحنی است.

با استفاده از دورۀ نوسان اندازهگیری شدۀ 1/45s ثانیه ای و ثابت فنر 1330، در این آزمایش، دریافتیم که جرم کلی جسم در حال نوسان 69/1 kg است. جرم صندلی و سکو نیز 19/3 kg بود، لذا جرم شاگرد 49/8 kg است. معمولا شاگردان می توانند با همین روش فضانورد را با دقت نزدیک به 1% محاسبه کنند.

شکل 2: ترتیب آزمایش برای اندازه گیری جرم لختی یک شخص
شکل 3: یک موج سینوسی بر بخشی از داده های نمودار مکان-زمان صندلی در حال نوسان برازش داده شده است.

نتیجه گیری ها

دریافتیم که مسائلی که علم و فناوری را به زندگی در جامعه مربوط می سازد شاگردان را در یادگیری فیزیک تشویق می کنند. مسئله مطرح شده در این مقاله، وسیله ای کارآمد برای تدریس بعضی ویژگی های دینامیک کلاسیک، شامل مفهوم وزن، جرم و حرکت نوسانی ساده است. پیش بینی های نظری در این مقاله، در کلاس درس به کمک ابزار ساده ساخته شده به دست شاگردان تحت راهنمایی معلم قابل آزمایش است.

 

پی نوشت
1. body mass measurement device

منبع

The Physics Teacher, Vol. 50, January 2012, pp. 12, 13

DOI: 10.1119/1.3670074

مراجع

  1. For more information see. P.A. Tipler and G.Mosca, Physics, 5th (W.H.Freeman, 2004), pp.100-101
  2. C.Morrison, “Weight and gravity-The need for comsistent definitions,” Phys.Teach. 37, 51-52(Jan.1999)
  3. Mohazzabi. “Why do we feel weightless in free fall?” Phys. Teach. 44, 240-242(April 2006)
  4. Documents from nasa.gov/mission_pages/station/seience/experiments/Clinical-Nutrition-Assessment.html and www.terra.es/personal/flromera/como.htm#a5
  5. for more information see Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 1, 1506 (2011)
  6. pasco.com/datastudio

 

 

ابوالفضل صالح

نویسنده: ابوالفضل صالح

متولد 24 آذر 1379 (2000/12/14) :-) دانش آموز دبیرستان علامه حلی 1 تهران و از علاقه مندی هام هم میتونم به ریاضیات، کامپیوتر و فیزیک اشاره کنم و بشدت به ورزش(فوتبال) علاقه دارم و به دنبال تغییر هستم...

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *