اصطکاک قابل تنظیم

بیش‌ترِ ماشین‌آلات، از چرخ‌های واگن گرفته تا موتورهای ماشین‌های پرسرعت، بدون روغن‌کاری و روان‌سازی به سرعت از کارکردن بازمی‌ایستند. علت اصطکاک است، پدیده‌ای بسیار پیچیده که سطوحِ در حالِ تماس را گرم کرده و به آن‌ها آسیب می‌رساند. همه‌ی روش‌های سنتی، از شیوه‌ی روغن‌کاری برای کاهش و کنترلِ میزانِ اصطکاک بهره می‌گیرند. این روش‌ها منفعل بوده و هیچ‌گاه کاملاً رضایت‌بخش نیستند. درحالی‌که Carlos Drummond از مرکزِ CNRS Centre de Recherche Paul Pascal در فرانسه در گزارشی به Physical Review Letters اعلام کرده که روش‌های پیش‌رفته‌ای وجود دارند که با به‌کارگیری میدان‌های الکتریکی، امکان تنظیم نیروهای اصطکاکی را به صورتِ فعال فراهم می‌کنند.

Drummond  کارِ خود را با توجه به این نکته آغاز کرد که میدان‌های الکتریکی، ساختارِ مولکول‌های دارای بار الکتریکی را دگرگون می‌کنند. او توانست با به‌کارگیریِ مولکول‌هایی که به صورتِ خودبه‌خودی جذبِ سطوح می‌شوند، لایه‌ای از پلیمرهای باردار که پلی‌الکترولیت نامیده می‌شوند را، روی ورقه‌های صیقلیِ میکا رسوب دهد. این مولکول‌ها روی سطح «فرچه‌های پلیمری» می‌سازند چون به سطح چسبیده و همانندِ موهای ریز روی مسواک، از سطح بالا می‌روند. هنگامی‌که دو سطحِ میکا که به این ترتیب ساخته شده‌اند روی یک‌دیگر قرار گیرند، نیروی اصطکاک میان آن‌ها به چگونگیِ فرورفتنِ این فرچه‌ها در هم بستگی دارد. Drummond  با اتصالِ الکترودها به پشتِ دو صفحه‌ی میکا، میدانی الکتریکی برقرار کرد و به این ترتیب نشان داد که ساختارِ پلیمرها در اثرِ اعمالِ میدانِ الکتریکی چنان تغییر می‌کند که میزانِ اصطکاکِ میانِ این دو سطح، به طور چشم‌گیری کاهش می‌یابد. چون سامانه‌ها بسیار سریع به میدانِ الکتریکی پاسخ‌ می‌دهند و نیز ساختِ سیگنال‌های الکتریکی بسیار سرراست و آسان است، Drummond پیش‌بینی می‌کند که اثرِ دیده شده، در بسیاری از کاربردها به‌کار آید، از کاهشِ ساییدگی در اندام‌های مصنوعی (پروتزها) تا کنترلِ بی‌درنگِ حسِ لامسه. می‌توان کاربریِ کامپیوتر را برای کسانی که دچارِ نقص در بینایی هستند، چنان ترتیب داد که اصطکاکِ ناشی از لمس کردن، موجبِ جابه‌جاییِ داده‌ها شود.

برای اولین بار لحظه شروع مقاومت الکتریکی اندازه گیری شد

فیزیکدانان با استفاده از لیزر پالسی سریع موفق به ثبت اولین لحظات مقاومت الکتریکی شدند. مقاومت الکتریکی یعنی همان اصطکاکی که هنگام عبور جریان الکتریسیته از مدار، باعث تولید گرما می‎شود!

رخدادی خارق العاده است: در زمانی نزدیک به 300 فمتوثانیه سرعت حرکت الکترون‎های آزاد درون نیم رساناهای کامپیوتر، از سرعت‎های پرتابه ای به سرعت های سوق مانند حلزونی کاهش می‎یابد. این یعنی تقریبا 10000 بار سریع‎تر از زمانی که لازم است تا نور مسیری به طول 30 سانتیمتر را طی کند. کلاوس رایمن از موسسه ی ماکس بورن برلین، یکی از نویسندگان مقاله‎ای است که در 16 دسامبر در مجله ی فیزیکال ریویو لترز چاپ شده و به مطالعه این اثر پرداخته است. "ما مجبور بودیم از پالس های لیزریِ بسیار سریع برای اندازه گیری چنین زمان های کوتاهی استفاده کنیم. این کار را هرگز نمی توان به وسیله‎ی ابزارهای الکترونیکی معمولی انجام داد."

نیمرساناها موادی هستند که هم از خواص رساناهای الکتریکی مانند مس  بهره می برند و هم از خواص عایق‎های الکتریکی مانند سرامیک. نیمرساناها از ترانزیستورها و اِل ای دی ها‎  گرفته تا باتری های خورشیدی و ریز‎پردازنده‎ها، در همه جا یافت می‎شوند. نیمرساناها بسته به نوعشان، مجموعه‎ای از عملیات فیزیکی از جمله تولید نور را به نمایش می‎گذارند. برای نمونه، هنگامیکه اختلاف پتانسیلی به گالیم آرسناید اِعمال می‎شود، این ماده فوتون‎های فروسرخ از خود گسیل می‎کند (و این مواد را به منابع خیلی خوبی از نور مخفی برای دوربین‎های امنیتی تبدیل می‎کند).    

نیمرساناها اجزاء حیاتیِ پردازشگر‎های کامپیوتری نیز هستند. هنگامی که اختلاف پتانسیلی به آنها اِعمال می‎شود، نیمرساناها بیت‎های اطلاعاتی را ذخیره و حمل و نقل می‎کنند. در این هنگام، اصطکاک الکترون‎ها در ماده –مقاومت الکتریکی- دمای آنها را بالا می‎برد. فیزیکدانان می‌دانستند که در اولین لحظه ی اعمال اختلاف پتانسیل، مقاومت الکتریکی وجود ندارد. بنابراین الکترونها پیش از کند شدن و نیز پراکنده شدن، تا حدی حرکت آزادانه را تجربه می‎کنند. اما مشخص نبود پس از چه زمانی این گذار رخ می‎دهد. (در منبع اصلی خبر که در زیر به آن ارجاع داده شده است کارتونی نیز موجود است.)

رایمن می‎گوید: "هر فرآیند پراکندگی زمان می برد اما نمی‎دانستیم چقدر."

برای یافتن این زمان، رایمن و شش تن  از همکارانش یک لیزر تراهرتزی را برپا کردند یعنی که قادر بود 1 تریلیون پالس نوری در هر ثانیه گسیل کند و سپس باریکه‎اش را به دو قسمت کردند. یک نیمه، نواری از گالیم آرسناید را روشن می‎کرد و به الکترون‎هایش کمک می‎کرد جریان تولید کنند. نیمه ی دیگر حرکت  الکترون‎ها را اندازه گیری می‎کرد.

چون که کامپیوتر متعارف برای پردازشِ یک ضربِ داده ها بیش از حد کند بود، محققینِ این آزمایش آن را صدها بار اجرا کردند و هربار داده ی مربوط به لحظه ای اندکی متفاوت با دفعه ی قبل را ثبت کردند. بدین ترتیب، با انباشته شدنِ نقطه به نقطه‎ی داده‎ها تصویری از مقاومت پدیدار شد. در گالیم آرسناید 300 فمتوثانیه برای الکترون ها لازم است تا شروع به کند شدن و پراکنده شدن کنند. رایمن گفت که سرعت شروع مقاومت الکتریکی با تعداد حفره ها متناسب است. هرچه حفره ها بیشتر باشند الکترون ها تندتر به حرکت سوق مانند میل می کنند.

زمانی که کامپیوتر‎ها به سرعت پردازشی 1000 برابر سریعتر از آنچه اکنون ممکن است دست یابند، این اثر ممکن است بسیار مهم باشد. رایمن گفت: "ما نمی‎دانیم که آیا هرگز بشود به چنین سرعتی دست یافت اما این امکان هست که با بهره برداری از این اثر بتوان کامپیوترهایی ساخت که سریعترند و کمتر برق مصرف می کنند."

لینک منبع

فرمول دوچرخه سواری

شايد کارهاي زيادي در اطراف شما وجود داشته باشند که انجام آنها اصطلاحا از دوچرخه سواري هم راحت تر باشد اما دانشمنداني که کارشان مطالعه بر روي توانايي هاي انسان است به تازگي کشف کرده اند دوچرخه سواري نه تنها کاري ساده نيست بلکه به شدت پيچيده و مشکل است. به گزارش تلگراف، محققان از سه کشور مختلف به مدت سه سال تلاش کردند تا بتوانند فرمول مکانيکي را براي شبيه سازي توانايي هاي کودکان در سن 10 سالگي به دست آورند.

اين معادله پيچيده که اينرسي، نيروهاي ژيروسکوپي و گريز از مرکز و گرانش را در خود جا داده است از 31 رقم و علامت و 9 سري پرانتز تشکيل شده است. فرمول به دست آمده مي گويد نيروهاي اينرسي + نيروهاي ژيروسکوپي + تاثير گرانش و نيروهاي گريز از مرکز= ميزان خميدگي بدن و ميزان گشتاوري که بر فرمان دوچرخه وارد مي شود. يا به زباني ساده تر اگر در هنگام دوچرخه سواري براي ادامه دادن به حرکت با سرعت کافي رکاب نزنيد به همراه دوچرخه سقوط خواهيد کرد.

اين معادله توسط دانشمنداني از هلند، آمريکا و انگلستان و طي مطالعات شرکت «هالفوردز» براي جمع آوري راهنمايي هاي آموزش دوچرخه سواري به کودکان، ويژه والدين به دست آمده است. «پائول مکلنگان» مدير مالي شرکت «هالفوردز» مي گويد: اين معادله نشان مي دهد جستن بر روي دوچرخه، حفظ تعادل آن و دور شدن سريع از خانه براي کودکان چندان کار ساده اي به شمار نمي رود. به گفته وي زماني که دوچرخه سواري را بياموزيد هرگز آن را فراموش نخواهيد کرد اما در پس اين مهارت به ظاهر ساده رويدادهاي علمي بسيار زيادي نهفته شده است.

به گفته «آرند شواب» از دانشگاه دلف در هلند که در ارائه اين معادله نيز نقش داشته است دانشمندان از زمان ابداع دوچرخه در دهه 1860 تا کنون در تلاش بوده اند با استفاده از قوانين حرکتي نيوتن حرکات منحصر به فرد و توانايي دوچرخه سواري را در حفظ تعادل توضيح دهند.

محاسبات رياضي و مهندسي دوچرخه سواري و ادامه يافتن اين تحقيقات بر روي آن مي تواند به تدريج منجر به ارائه طراحي هاي بهتر و ايمن تر از دوچرخه ها شود. به گفته «شواب» مي توان با استفاده از اين معادله حرکات دوچرخه را شبيه سازي کرده و ميزان ثبات و دوام آن را تحت شرايط خاص پيش بيني کرد.

دیدگاهایی جدید در مکانیک کلاسیک

مکانیک کلاسیک در فرم نیوتنی آن مبتنی بر سه اصل نیوتن و قانون جهانی گرانش بود.در فرم رایج کلاسیک آن زمان معمولا از همان تلقّی برداری قوانین استفاده میشد.امّا بنابر دلایلی فرم رایج به کار بردن قوانین نیوتن پس از مدتّی رها شد و فرمالیسمی جدید و هم ارز با آن به کار گرفته شد.یکی از مهمترین دلایل کنار گذاشته شدن فرم کلایسک قوانین نیوتن،دشوار بودن تعمیم و بحث روی قوانین نیوتن به سیستم های چند ذره ای غیر صلب بود.در هنگام بررسی مکانیک سیاّلات و مکانیک سماوی با تعداد زیادی نقاط مادّی سر و کار داریم و لذا بررسی و آنالیز دقیق سیستم با به کار بردن نیروهای بین اجسام تقریباً غیر ممکن می نماید.لذا به تلقّی جدیدی از قوانین نیوتن نیاز داریم.

نخستین گام توسّط لاگرانژ ،برداشته شد.او اولاً در فرض سه بعدی بودن فضاهای تخت اقلیدسی،به عنوان یگانه محیط لازم برای بررسی اجسام تغیراتی اعمال نمود.در رهیافت او، به جای اینکه جسم را بالاجبار در فضای تخت اقلیدسی بررسی کنیم و برای توصیف وضعیّت جسم تنها از سه مختصه دکارتی استفاده کنیم،می توانیم وضعیت جسم را در فضای دیگری به نام فضای پیکر بندی بررسی کنیم.در این صورت بجای مختصه های دکارتی می توانیم از مختصات دیگری به نام مختصات تعمیم یافته استفاده کنیم.

تعداد مختصات تعمیم یافته ای که برای توصیف جسم مورد نظر لازم است،دقیقاً به تعداد مختصات لازم دکارتی برای توصیف سیستم است.منتها هنر لاگرانژ از این مرحله به بعد نمایان می شود و آن زمانی است که می خواهیم نیروهای داخلی سیستم را مشخص کنیم.در این صورت با وارد کردن قیود حرکت ،که هندسه به سیستم تحمیل می کند می توانیم بدون هیچ دردسری کنش های داخلی اجزای سیستم را وارد محاسبات خود کنیم.

در ثانی در رهیافت لاگرانژ،به جای سر و کار داشتن با بردارها،با توابع اسکالر وحلّ معادلات دیفرانسیل اسکالر مواجه هستیم.و سهولت بیشتری در بررسی سیستم ها خواهیم داشت.