آیا واقعاً می‌توانیم مانند فیلم‌ها روی قطار در حال حركت بدویم؟
یكی از صحنه‌های رایج در بسیاری از فیلم‌های هالیوودی، دویدن روی سقف قطار درحال حركت است.
آیا واقعاً می‌توانیم مانند فیلم‌ها روی قطار در حال حركت بدویم؟علوم پایه و مهندسیعلمیسه‌شنبه ۲۸ فروردین ۱۴۰۳ - ۲۲:۳۰مطالعه 8 دقیقهمریم صفدریتبلیغاتتبلیغاتتبلیغاتیكی از صحنه‌های رایج در بسیاری از فیلم‌های هالیوودی، دویدن روی سقف قطار درحال حركت است .
آیا در واقعیت چنین كاری امكان‌پذیر است؟تبلیغاتهر كاری را كه در فیلم‌ها می‌بینید، نمی‌توانید در واقعیت آن را تكرار كنید. برای مثال، فردی را درنظر بگیرید كه روی سقف قطار درحال حركت می‌دود.در فیلم‌های وسترن اولیه، از پس‌زمینه متحرك استفاده می‌شد تا این تصور ایجاد شود كه قطارهای جعلی درحال حركت هستند .
اكنون تصاویر تولیدشده توسط كامپیوتر (CGI) وجود دارد یا ممكن است فیلم را سریع كنند تا به‌نظر برسد قطار زودتر از حالت واقعی حركت می‌كند. بنابراین، سوالی كه وجود دارد این است كه آیا می‌توان روی سقف قطار درحال حركت دوید و از یك واگن به واگن دیگر پرید؟كپی لینكقوانین فیزیكفیزیك مجموعه‌ای از مدل‌های دنیای واقعی است كه می‌توانیم برای محاسبه نیروها و پیش‌بینی چگونگی تغییر موقعیت و سرعت اشیاء از آن‌ها استفاده كنیم .
اگرچه، نمی‌توانیم موقعیت یا سرعت اشیاء را بدون چارچوب یا قاب مرجع پیدا كنیم.رت آلن، استاد فیزیك دانشگاه جنوب شرقی لوئیزیانا در وب‌سایت وایرد می‌گوید فرض كنید در اتاقی ایستاده‌ام و توپی در دست دارم و می‌خواهم موقعیت آن را شرح دهم .
می‌توانم از مختصات دكارتی برای تشریح فضایی سه‌بعدی استفاده كنم تا به توپ سه مقدار (x, y, z) را بدهم. اما این اعداد به مبدا و جهت محورهای من بستگی دارد. استفاده از گوشه‌ای از اتاق به‌عنوان مبدا طبیعی به‌نظر می‌رسد و محورهای x و y در امتداد دو پایه مجاور دیوار بالا می‌روند و محور z به صورت عمودی به بالا می‌رود .
طبق این سیستم (واحدها برحسب متر)، توپ در نقطه (1، 1، 1) وجود دارد.اما اگر دوستم باب نیز در اتاق باشد و موقعیت توپ را به روش دیگری اندازه‌گیری كند، چه؟ شاید او مبدا توپ را جایی كه توپ قرار دارد، یعنی دست‌های من درنظر بگیرد و موقعیت اولیه آن را به شكل (0, 0, 0) تعریف كند .
این روش نیز منطقی به‌نظر می‌رسد (ما فقط دارای چارچوب مرجع متفاوتی هستیم).حالا من توپ را مستقیم به هوا پرتاب می‌كنم. پس از فاصله زمانی كوتاه ۰٫۱ ثانیه، طبق سیستم مختصات من توپ در نقطه (1, 1, 2) یعنی یك متر بالاتر از حالت قبل قرار دارد .
طبق روش باب نیز موقعیت توپ تغییر می‌كند (0, 0, 1). توجه داشته باشید كه در هر دو سیستم، توپ به اندازه یك متر در جهت z بالا رفت. بنابراین، سر این موضوع توافق داریم كه توپ دارای سرعت صعود ۱۰ متر بر ثانیه است .
كپی لینكقاب مرجع متحركحالا فرض كنید توپ را داخل قطاری می‌برم كه با سرعت ۱۰ متر بر ثانیه (۳۶ كیلومتر در ساعت) حركت می‌كند. دوباره توپ را به سمت بالا پرتاب می‌كنم. چه اتفاقی می‌افتد؟من داخل قطار هستم، بنابراین از سیستم مختصاتی استفاده می‌كنم كه همراه قطار حركت می‌كند .
در این قاب مرجع متحرك، من ساكن هستم. باب كنار ریل ایستاده است و می‌تواند توپ را از پنجره قطار ببیند، بنابراین از سیستم مختصات ساكنی استفاده می‌كند كه در آن من حركت می‌كنم.اگر جسمی در حال سكون باشد یا با سرعت ثابتی حركت كند، در حالت ساكن می‌ماند یا همچنان با همان سرعت حركت می‌كنددر این مورد، من و باب درمورد موقعیت یا سرعت توپ با هم اتفاق‌نظر نخواهیم داشت .
من می‌گویم توپ مستقیم بالا و پایین می‌رود و دوباره درست در دستم فرود می‌آید. باب می‌گوید توپ هم سرعت عمودی و هم سرعت افقی دارد: او می‌بیند كه توپ به سمت بالا و پایین و همچنین به سمت جلو حركت می‌كند.در چارچوب مرجع باب، توپ همان سرعت افقی قطار را دارد .
اگر توپ به مدت یك ثانیه در هوا باشد، قطار در این مدت ۱۰ متر جلوتر می‌رود و توپ نیز ۱۰ متر جلوتر خواهد رفت. به همین دلیل است كه توپ پشت سر من فرود نمی‌آید. قانون اول نیوتن: اگر جسمی در حال سكون باشد یا با سرعت ثابتی حركت كند، در حالت ساكن می‌ماند یا همچنان با همان سرعت حركت می‌كند، مگر اینكه نیرویی به آن وارد شود .
به این پدیده اینرسی می‌گویند.اینرسی را تجربه كرده‌اید؛ به همین دلیل است كه اگر فنجان قهوه‌ای را در اتومبیل داشته باشید و ترمز كنید، ماشین می‌ایستد، اما قهوه به حركت ادامه می‌دهد و درنهایت روی داشبورد می‌ریزد .
به همین دلیل است كه از كمربند ایمنی استفاده می‌كنیم.بنابراین، اگر قطار با سرعت ثابتی حركت كند، طبق مدل توصیف‌شده دویدن روی سقف قطار و پریدن از یك واگن به واگن بعدی باید به آسانی همین كار در زمانی باشد كه قطار حركت نمی‌كند .
اگر با سرعت ۱۶ كیلومتر بر ساعت (طبق چارچوب مرجع متمركز بر قطار) بدوید، اما قطار با سرعت ۶۴ كیلومتر بر ساعت حركت كند، سرعت افقی شما (طبق چارچوب مرجع ساكن) ۸۰ كیلومتر بر ساعت خواهد بود. پس كار آسانی است؟ قطعا نه .
گرچه من و باب سرعت‌های متفاوتی را اندازه‌گیری می‌كنیم، با این موضوع موافق هستیم كه به علت گرانش، شتاب فرود آمدن توپ یكی است. این موضوع مهم است، زیرا شتاب رابطه مستقیمی با نیروی خالص وارده بر جسم دارد. قانون دوم نیوتن: نیروی وارده بر جسم برابر است با حاصل ضرب جرم در شتاب .
سیستم مختصات باب و سیستم متخصات من هر دو چارچوب مرجع لخت نامیده می‌شوند، زیرا خودشان شتاب نمی‌گیرند.مدل‌های فیزیك در چارچوب‌های لخت عالی عمل می‌كنند و فرقی ندارد كدام‌یك را انتخاب كنید. چارچوب مرجع باب نسبت به زمین، بدتر یا بهتر از چارچوب مرجع من در قطار درحال حركت نیست .
كپی لینكدویدن در بالای قطاراگر قطاری با سرعت ثابت در حال حركت باشد، پس این یك چارچوب مرجع لخت است و همه چیز مانند حالتی كه چارچوب ساكن است، عمل می‌كند. من فقط توپ را به بالا پرتاب می‌كنم و چه روی سكوی راه‌آهن نشسته باشم، چه درون قطاری باشم كه با سرعت ۶۴ كیلومتر بر ساعت درحال حركت است، چه درون هواپیمایی باشم كه با سرعت ۸۰۰ كیلومتر بر ساعت حركت می‌كند، احساس مشابهی خواهم داشت .
علاوه‌بر‌این، از دیدگاه فیزیك همه این‌ها یك حالت هستند.اما صبر كنید! عامل مهمی را در مدل خود درنظر نگرفته‌ایم. روی سقف مقاومت هوا نیز وجود دارد. اگر قطار با سرعت ۳۲ كیلومتر بر ساعت به سمت شرق در حركت باشد، برای انسانی كه روی سقف آن قرار دارد، مانند بادی خواهد بود كه با سرعت ۳۲ كیلومتر بر ساعت به سمت غرب می‌وزد .
اگر روی قطاری با سرعت بالا بپرید، هیچ تضمینی وجود ندارد كه كجا فرود بیاییداگر قطار سرعت بالایی نداشته باشد، مشكل خاصی نخواهید داشت. اگرچه وقتی سرعت باد به حدود ۶۴ كیلومتر بر ساعت برسد، دویدن یا راه رفتن دشوار می‌شود .
اگر تلاش كنید، به دلیل اصطكاك پاهایتان روی سقف، می‌توانید خود را به جلو حركت دهید، اما اگر به هوا بپرید، هیچ تضمینی وجود ندارد كه كجا فرود بیایید.البته، حتی در داخل و بدون باد مطمئنا می توانید بدون نگاه كردن به پنجره متوجه شوید كه قطار درحال حركت است .
علت آن است كه قطارهای واقعی با سرعت ثابتی حركت نمی‌كنند. حتی ناهمواری‌ها و پیچ‌های كوچك در مسیر موجب نوسان سرعت قطار می‌شود و بدن شما به‌راحتی آن را حس می‌كند.كپی لینكقطارهای بدون اینرسیطبق تعریف، سرعت برداری (velocity) دارای مقدار و جهت است .
اگر سرعت یا جهت قطار تغییر كند، با سرعت برداری ثابتی حركت نمی‌كند و شتاب دارد. در این شرایط، نمی‌توانید برای اطلاع پیدا كردن از نحوه حركت اشیاء فقط از قانون دوم نیوتن استفاده كنید. این قانون فقط در چارچوپ مرجع لخت به كار می‌رود .
یكی از راه‌های رفع مشكل، افزودن «نیروی كاذب» است تا بتوان دوباره از قوانین نیوتن استفاده كرد. نیروی كاذب متناسب با شتاب چارچوب، اما در جهت مخالف اعمال خواهد شد.شما تا‌به‌حال درون چارچوب مرجع غیرلخت قرار گرفته‌اید .
وقتی در آسانسوری قرار دارید كه شروع به شتاب گرفتن به سمت بالا می‌كند، چارچوب مرجع درون اتاقك آسانسور غیرلخت است. مغز شما آن را به‌عنوان نیرویی تفسیر می‌كند كه شما را به سمت زمین هل می‌دهد. این نیرو كاذب است .
شما به سمت پایین هل داده نمی‌شوید، بلكه به سمت بالا كشیده می‌شوید.وقتی پیچ تندی را با اتومبیل دور می‌زنید نیز همین اتفاق می‌افتد. ازآنجا كه تغییر جهت نیز نوعی شتاب است، درون خودرو چارچوب مرجع غیرلخت به حساب می‌آید .
به همین دلیل است كه چرخش خودرو به چپ موجب می‌شود فكر كنید به سمت راست به بیرون رانده می‌شوید؛ درحالی‌كه چیزی به نام «نیروی گریز از مركز» وجود ندارد و خودرو در واقع درحال شتاب‌گیری مركزگرا به سوی مركز قوس است .
بیشتر بخوانیدچرا فیزیكدانان نیروی گریز از مركز را غیرواقعی می‌دانند؟26 آذر 02مطالعه '2چرا به پیش راندن خودرو با آهنربا امكان‌پذیر نیست؟24 آذر 02مطالعه '2امن‌ترین نقطه برای نشستن در قطار كجا است؟5 شهریور 02مطالعه '2به همین ترتیب، سرعت قطارها كم و زیاد می‌شود و آن‌ها دور می‌زنند .
آن‌ها پیچ‌و‌تاب می‌خورند و هرچه ارتفاع شما بالاتر باشد، آن را شدیدتر احساس خواهید كرد. روی سقف قطار واقعی از هر جهتی شتاب‌های ناگهانی را تجربه خواهید كرد.آیا می‌توانید روی سقف قطار بدوید؟ شاید در سرعت كم بتوانید این كار را انجام دهید، اما حركت روی سقف قطار، درحالی‌كه در مسیری پرپیچ و خم حركت می‌كند، مانند تلاش برای فرار به جلو درحین تقابل با فردی است كه شما را به طرفین هل می‌دهد .
این موضوع را نیز درنظر داشته باشید كه سقف قطارها معمولا شیب‌دار و لغزنده است.كپی لینكسوار شدن بر قطاری كه در حال حركت استاگر همچنان دوست دارید روی سقف قطار بدوید، باید بتوانید خود را به سقف آن برسانید. می‌توانید بلیتی بخرید و با نردبان خود را به سقف قطار برسانید، اما پریدن از روی پل هوایی یا چیز دیگری به داخل قطار جالب‌تر نیست؟اگر قطار با سرعت كم ۱۰ متر بر ثانیه (۳۶ كیلومتر بر ساعت) درحال حركت باشد و شما ساكن باشید، به این معنا است كه سرعت شما (نسبت به زمین)، باید به‌طور ناگهانی از صفر (در حالت بدون حركت روی پل هوایی) به ۳۶ كیلومتر بر ساعت (در حالت ساكن روی قطار درحال حركت) تغییر كند .
حركت روی سقف قطار مانند تلاش برای فرار به جلو درحین تقابل با فردی است كه شما را به طرفین هل می‌دهددر اینجا دو گزینه وجود دارد. بپرید و امیدوار باشید اتفاق خوبی بیفتد. متوجه می‌شوید كه در خلاف جهت حركت قطار درحال سر خوردن هستید .
اگر اصطكاك كافی وجود داشته باشد، درنهایت سر خوردن متوقف می‌شود. در غیر این صورت، به عقب رانده می‌شوید. گزینه دوم این است كه قبل از پریدن شروع به دویدن كنید. اگر بتوانید با سرعت قطار حركت كنید (بعید است)، وقتی به پایین می‌پرید، دیگر سر نخواهید خورد و با سرعت مناسب حركت خواهید كرد .
این همان كاری است كه ابرقهرمانان انجام می‌دهند.گزینه میانی برای كسانی كه قدرت فوق‌العاده ندارند، این است كه هم بلغزند و هم بدوند. اگر قبل از پریدن به سوی قطاری كه با سرعت ۱۰ متر بر ثانیه حركت می‌كند، به سرعت ۵ متر بر ثانیه برسید، اختلاف سرعت در زمان برخورد كمتر خواهد بود و احتمال زنده ماندن شما بیشتر می‌شود .
كپی لینكپیاده شدن از قطار در حال حركتپریدن از قطار تقریباً شبیه پریدن روی آن است: مشكل اختلاف سرعت است. باز هم، دو گزینه پیش روی شما است: می‌توانید بپرید و اجازه دهید تعامل شما با زمین سرعت شما را كم كند .
ازآنجا كه با سرعت قطار به صورت افقی حركت می‌كنید، احتمالا از این كار پشیمان خواهید شد.گزینه دوم این است كه می‌توانید قبل از اینكه بپرید، به سمت عقب قطار بدوید. این كار سرعت شما را قبل از برخورد كم می‌كند .
احتمالا نمی‌توانید به قدری سریع بدوید كه بدون غلت خوردن روی زمین بیفتید. اگر قرار بود از قطار بیرون بپرم، منتظر پلی روی دریاچه می‌ماندم. وقتی به آب برخورد می‌كنید، آب در جهت مخالف حركت شما به شما نیرو وارد می‌كند .
مولفه افقی این نیرو درست مانند اصطكاك سرعت شما را كم می‌كند. آب همچنین به سمت شما فشار می‌آورد تا حركت عمودی شما را متوقف كند، اما وقتی در آب فرو می‌روید، سرعت شما در مسافت بیشتری كم می‌شود. این بدان معنا است كه ضربه كمتری به شما وارد می‌شود .
منبع : https://www.zoomit.ir/fundamental-science/419565-can-you-run-on-top-of-train/