زمين در هر 24 ساعت يکبار به دور محور خودش مي‌گردد؟

باور غلط :

زمين در هر 24 ساعت يکبار به دور محور خودش مي‌گردد.

زمين به دور محورش، در خلاف جهت حرکت عقربه هاي ساعت مي چرخد و هر دوران کامل آن يک روز نجومي طول مي کشد که مدت آن 23 ساعت و 56 دقيقه و 4 ثانيه است، بر خلاف تصور عامه مردم که آن را 24 ساعت مي پندارند. روز نجومي کوتاه تر از روز معمولي است، که آن را «روز متوسط خورشيدي» مي نامند. کشندها خيلي به تدريج چرخش زمين به دور محورش را کند مي کنند و بر طول شبانه روز مي افزايند. 200 ميليون سال ديگر، شبانه روز 25 ساعت خواهد شد.

آزمايش هاي زيادي دال بر آن اند که زمين حول محورش مي چرخد. از قاطع ترين آن ها آزمايشي است که فوکو فيزيکدان فرانسوي در 1851 طرح کرد. در اين آزمايش، دوران زمين به طور مستقيم مشاهده مي شود.

تنها وسيله لازم براي اين آزمايش يک آونگ است که از گلوله اي سربي و تکه سيمي براي آويختن تشکيل شده است. براي اندازه گيري دقيق بايد :

بنا بر نظريه اي که آزمايش بر آن مبتني است، آونگي که به آزادي نوسان مي کند، صفحه نوسانش را حفظ مي کند. يعني اگر آونگ نوسان را در امتداد شمال ـ جنوب آغاز کند همچنان در آن امتداد نوسان خواهد کرد تا مقاومت هوا يا اصطکاک آن را حال سکون در آورد.

طرز کار اين آزمايش چنين است :

نخستين بار اين آزمايش با سيمي 60 متري در پانته ئون پاريس انجام شد. آزمايش در عرض جغرافيايي پاريس اندکي پيچيده تراست. ولي از نتيجه آن يعني چرخش زمين به دور محورش، گريزي نيست.

چند اثر مستقيماً معلول چرخش زمين اند:

1ـ توالي روز و شب. هر نقطه از زمين متناوباً رو به خورشيد (روز) مي کند يا پشت به آن (شب) مي دارد.

2ـ صلب بودن محور. محور زمين زاويه ميل خود را با صفحه مدارش حفظ مي کند و پيوسته رو به سوي ستاره قطبي است. از اين لحاظ زمين چرخان شباهت بسيار به يک ژيروسکوپ چرخان دارد. محور زمين نيز مانند محور ژيروسکوپ داراي حرکت تقديمي است.

3ـ به هر جسمي بر روي زمين يک نيروي گريز از مرکز وارد مي آيد که در استوا بيش ترين مقدار را دارد و در قطب صفر است. در نتيجه وزن اجسام در قطب بيشتر است تا در استوا (اين اختلاف ورزن بسيار کوچک است و بيشتر از لحاظ علمي مورد توجه است.)

4ـ پخ بودن زمين در قطب ها احتمالاً معلول اين چرخش در زماني بوده است که سطح زمين هنوز حالتي مايع يا شکل پذير داشته است.

زمين علاوه بر چرخش به دور محورش حرکتي ديگر به دور خورشيد دارد. زمين هر سال در سفري 1000 ميليون کيلومتري با سرعتي بيش از 100000 کيلومتر در ساعت يک بار به دور خورشيد مي گردد. اين سفر کمي بيش از 365 روز طول مي کشد و تقويم ما بر مبناي آن است. با حرکت زمين در مدارش به نظر مي رسد که خورشيد نسبت به ستارگان زمينه، جا به جا مي شود.

وزن هوا

باور غلط : هوا تقریباً بی‌وزن است.

شاید شما هم باور ندارید که هوا وزن دارد، زیرا که تمام ما در درون هوا قرار داریم ولی یک مترمعکب از هوا در سطح دریا، در فشار متعارف و دمای صفر درجه سانتی گراد، وزنی برابر 2/1 کیلوگرم دارد.

این موضوع را می توانید با انجام آزمایش زیر مشاهده نمائید.

یک میله نازک فلزی نظیر میل بافتنی بر دارید. دو بادکنک یکسان را پر باد کنید و با نخ نازک آن ها را به دو انتهای میله فلزی، آویزان کنید. به وسط این میله نیز نخ دیگری ببندید و به کمک آن میله را به شاخه درخت یا چارچوب در و یا سقف بیاویزید.

نتیجه به یک ترازو شباهت خواهد داشت. در صورتی که تعادل در دو انتهای میله برقرار نباشد، با جا به جا کردن نقطه آویز یکی از بادکنک ها یا دادن تغییر جزیی در محل نخ وسط میله تعادل را مجدداً برقرار سازید. حال با یک سوزن باد یکی از بادکنک ها را خالی نمایید، بلافاصله متوجه خواهید شد که بادکنک مزبور بالا رفته و دیگری پایین می آید.

دلیل این آزمایش ساده را چنین توضیح می دهیم :

 هوا نیز مانند سایر اجسام دارای وزن است. البته در این آزمایش مطلب دیگری به نام نیروی ارشمیدس هوا هم موثر است، که فعلاً از آن صحبتی نمی کنیم.

به طور معمول ترکیبات موجود در هوا عبارتند از : 78 درصد نیتروژن (N₂)  درصد اکسیژن (O₂) و 1 درصد دیگر عناصر مانند آرگون (Ar)، دی اکسید کربن (CO₂)، متان (CH₄) و هلیوم (He). بیشتر گازها از مولکول هایی تشکیل شده اند، که خود این مولکول ها نیز از ترکیب اتم هایی به وجود آمده اند. برخی از گازها نیز تنها به صورت اتمی وجود دارند.

هوایی که اطراف زمین را احاطه کرده است از میلیاردها میلیارد مولکول تشکیل شده است. پس مثل دیگر فازهای مواد مانند جامد و مایع که دارای وزن هستند، اکنون می دانید که هوا و دیگر مواد گازی شکل نیز دارای وزن مخصوص به خود هستند و وزن آن ها به وزن اتم ها و مولکول های تشکیل دهنده آن ها بستگی دارد.

جرم مولکلولی برخی مواد موجود در هوا را می توانید در جدول رو به رو مشاهده نمائید.

یک آزمایش دیگر نیز می تواند نشان دهنده وزن هوا برای شما باشد، برای این کار باید از یک ترازوی بسیار حساس مانند ترازوهایی که در طلافروشی از آن ها استفاده می شود، استفاده کنید. 

ابتدا باید وزن یک بادکنک خالی را و مقداری نخ که می خواهید سر بادکنک را با آن ببندید را محاسبه کنید. سپس باید بادکنک را پر باد کنید و با آن مقدار نخی که وزن آن را به دست آورده اید، سر آن را محکم ببندید.

حال بار دیگر این بادکنک را وزن کنید و از عددی که مشاهده می کنید باید وزن نخ و بادکنک خالی را که در مرحله قبل به دست آورده بودید، را کم کنید تا وزن هوای محبوس در بادکنک را مشاهده کنید.

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

اگر به دوسر سیم رسانایی اختلاف پتانسیلی وصل کنیم چه اتقاقی می افتد؟

بله درست حدس زده اید وجود اختلاف پتانسیل سبب می شود که الکترون های سیم شروع به حرکت کنند و جریان الکتریکی در سیم به وجود آید.

حال اگر دو سیم را به دو سر باتری وصل کرده و آن ها را به موازات هم قرار دهیم چه اتفاقی می افتد؟

در این جا قصد داریم که توضیح دهیم بین سیم ها ی موازی حامل جریان چه اتفاقی می افتد.

همان طور که می دانید طبق آزمایش اورستد در اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی به وجود می آید که این میدان برابر است با :

حال اگر دو سیم (1) و (2) حامل جریان داشته باشیم این دو سیم بر هم نیرو وارد می کنند به چه صورت؟

سیم (1) در اطراف خود میدان مغناطیسیB₁ تولید می کند و بر سیم 2 تحت تاثیر این میدان نیروی الکترو مغناطیسی وارد می شود :

و بر سیم 1 تحت تاثیر میدان مغناطیسی سیم 2 نیز نیروی الکترو مغناطیسی وارد می شود.

روش یافتن نیروی وارد بر سیم:

اگر جریان دو سیم هم جهت باشد

جهت میدان مغناطیسی حامل جریان را طبق قانون دست راست تعیین می کنیم( به این ترتیب است كه انگشت شست دست راست را در جهت جریان بگیریم بسته شدن چهار انگشت جهت میدان مغناطیسی را به ما می‌دهد. ) (شکل a)  و بعد طبق قاعده دست راست جهت نیروی مغناطیسی سیم حامل جریان  واقع در میدان مغناطیسی را مطابق شکل (b)

نتیجه:

اگر جریانی كه از دو سیم می گذرد هم‌جهت باشند سیم ها یكدیگر رامی ربایند.

اگر جریان دو سیم مخالف هم باشند:

در این حالت نیز مطابق بالا عمل می کنیم بااین تفاوت که جهت نیروی دو سیم مخالف هم اند  یعنی اگر جریان ها خلاف هم  باشند » نیروها همدیگر را جذب می‌كنند.

از طرفی می توان نتیجه گرفت که طبق قانون سوم نیوتن نیروی وارد بر دوسیم، مساوی ولی مخالف جهت هم هستند:

قدرت اسیدها و بازها

در این مطلب می خواهیم بدانیم به طور کلی، قدرت اسیدها و بازها چگونه تعیین می شود و این موضوع چه تأثثیری در انجام واکنش ها و نتایج آن ها دارد.

خواص عمومی اسیدها:

 

 ***  تیتراسیون، فرایندی شیمیایی است که مقدار مشخصی از ماده ی اصلی نمونه ی حل شده با افزودن مقدار دقیق و مشخص از یک ماده ی حل شده ی دیگری معین می شود. محلول با غلظت معلوم به تدریج به محلولی که ناشناخته است، اضافه می شود( این کار با استفاده از یک بورت انجام می گیرد که یک لوله آزمایش دراز با دریچه ای در انتهای خود است ). این کار تا زمانی انجام می گیرد که به نقطه ی هم ارزی (نقطه ی پایان) برسد. مقدار ماده ی ناشناخته در این حالت می تواند محاسبه شود. نقطه ی هم ارزی با تغییر خاصی معین می شود. به عنوان مثال، از رنگ ماده ی شاخص مانند لیتموس یا خاصیت الکتریکی.

چه عاملی باعث ضعف یا قدرت اسیدها می شود؟

اسید قوی، اسیدی است که به آسانی تجزیه شود تا یون های هیدروژن تشکیل دهد. اسید ضعیف به راحتی نمی تواند تجزیه شود؛ بنابراین نمی تواند یون های هیدروژن را به راحتی تشکیل دهد.

پس عامل قدرت اسیدها تجزیه ی آسان و رها کردن یون هیدروژن است.

اسیدهایی مانند اسید استیک (HC₂H₃O₂)، اسید هیدروفلوئوریک (HF)، اسید نیتروس ( اسیدی ناپایدار که فقط در محلول و به شکل نمک های نیترات شناسایی می شود( HNO₂ ) جزو اسیدهای ضعیف هستند.

در شکل زیر تجزیه ی اسید استیک را مشاهده می کنید.

اسیدهایی مانند اسید هیدروکلریک (HCl)، اسید سولفوریک (H₂SO₄) و اسید نیتریک (HNO₃) اسیدهایی قوی هستند.

 

خواص عمومی بازها:

 

چه عاملی باعث ضعف یا قدرت بازها می شود؟

همانند یک اسید قوی، باز قوی به راحتی تجزیه می شود و یون های هیدروکسید تشکیل می دهد نه هیدرونیوم. باز ضعیف نمی تواند یه راحتی تجزیه شود؛ بنابراین نمی تواند به آسانی یون های هیدروکسید تولید کند.

بازهایی مانند آمونیاک (NH₃)، یون فسفات ( ^-PO₄) و آب (H₂O) ضعیف هستند.

بازهایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH) و اکسید کلسیم (CaO) بازهایی قوی هستند.

در شکل  زیر مثالی از انتقال پروتون را می بینید:

استفاده از مفهوم جفت های مزدوج اسید و باز به ما اجازه می دهد تا نظر خود را راجع به قدرت نسبی اسیدها و بازها به راحتی بیان کنیم.

در جدول زیر غلظت یون هیدروژن و سطح pH را برای برخی مواد می بینیم:

 

منظور از درانو (Drano) نوعی ماده است که برای تمیزی و باز کردن لوله ها و فاضلاب به کار می رود.

در جدول زیر نیز افزایش قدرت برخی اسیدها و بازها را مشاهده می کنید:

در ضمن، اسید و باز مزدوج هر کدام از مواد نیز در کنار آن نوشته شده است.

از طرف دیگر، واژه ی قوی یا ضعیف برای اسیدها و بازها به معنای توانایی آن ها برای هدایت جریان الکتریسیته است. اگر اسید یا باز قوی است، الکتریسیته را به طور قوی هدایت می کند و بالعکس.

اثبات تجربی رسانندگی اسید و باز:

با استفاده از یک لامپ و یک مدار ساده می توان این مطلب را به خوبی درک کرد. این مدار با محلولی که شامل مقادیر زیادی یون است، کامل خواهد شد. اگر از اسیدی مانند HCl در محلول هدایت جریان الکتریسیته استفاده شود، لامپ بسیار پرنور روشن خواهد شد. اگر مدار با محلولی که شامل هیچ یونی نیست یا تعداد کمی یون دارد، کامل شود، محلول مورد نظر الکتریسیته را هدایت نخواهد کرد یا به طور ضعیف رسانای جریان الکتریسیته خواهد بود. به عنوان مثال، اسید استیک باعث این ضعف می شود.

اصل رسانایی:

اسید یا بازی که جریان الکتریسیته را به طور قوی هدایت می کند، شامل مقادیر زیادی یون است و اسید یا باز قوی نامیده می شود.

قدرت پیوندی:

قدرت پیوندی اسیدها و بازها توسط مقادیر نسبی یون ها یا مولکول های آن ها در محلول معین می شود. پیوندها به صورت زیر نشان داده می شوند:

    باز         اسید

H-A      M-OH

که A یون منفی است و M یون مثبت است. اسیدهای قوی، یون های زیاد در محلول دارند؛ بنابراین پیوندهایی که H و A را متصل به هم نگه می دارند، باید ضعیف باشند. یعنی اسیدهای قوی به آسانی به یون های خود تجزیه می شوند.

اسیدهای ضعیف، بیش تر در محلول مولکول رها می کنند و تعداد یون های آن ها در محلول کم تر است؛ بنابراین پیوندهای نگه دارنده ی H و A  باید قوی باشند. اسیدهای ضعیف به راحتی نمی توانند به یون های خود تجزیه شوند اما مولکول های آن ها متصل به هم باقی می ماند.

کاتالیست های همگن

در مطالب مربوط به انواع کاتالیست های 1 و 2 بیان شد که کاتالیست های همگن، در فاز مشابه با واکنش دهنده ها قرار دارند. به طور نوعی، هر کاتالیست همگنی در فاز گازی یا یک فاز مجزای مایع واکنش دهنده ها قرار خواهد داشت. با مطالعه ی مثال های زیر این مطلب را بیش تر متوجه خواهید شد:

مثال هایی از کاتالیست های همگن

واکنش بین یون های پرسولفات و یون های یدید:

این واکنش، یک واکنش انحلالی است که ممکن است در مفهوم کاتالیست با آن روبه رو شوید؛ اما یک مثال دوست داشتنی است!

یون های پرسولفات ( پروکسودی سولفاتترکیبات یا یون هایی که اتم های اکسیژن بیش تر از حد معمولی دارند )؛ S₂O^-₈ ، عامل های اکسید کننده ی قدرت مندی هستند. یون های یدید نیز به راحتی به خود ید اکسایش پیدا می کنند و در عین حال واکنش بین آن ها در انحلال آبی آن ها بسیار کند است.

اگر به معادله ی واکنش نگاهی بیندازیم، به راحتی می بینیم که:

واکنشی که با کاتالیست انجام می شود، به طور کامل از این مشکل دوری می کند. این کاتالیست می تواند با هر دو یون آهن(II) و آهن(III) انجام شود که به همان محلول اضافه می شود. این نیز مثال خوبی از استفاده ی ترکیبات فلزات واسطه به عنوان کاتالیست است زیرا این ترکیبات توانایی تغییر حالت اکسایش خود را دارند.

ما در این جا از کاتالیست آهن (II) استفاده کرده ایم. البته مهم نیست که از آهن (II) استفاده کنیم یا آهن (III).

یون های پرسولفات، یون های آهن (II) را به یون های آهن (III) اکسایش می دهند. در این فرایند، یون های پرسولفات به یون های سولفات کاهش پیدا می کنند:

یون های آهن (III) عامل اکسایش دهنده ی قوی هستند که یون های یدید را به ید اکسایش می دهند. در این فرایند، این یون ها دوباره به یون های آهن (II) برمی گردند:

هر دو مرحله ی این واکنش کل به طور مجزا، شامل برخورد بین یون های مثبت و منفی است. این واکنش از واکنش بین یون های منفی در حالت بدون کاتالیست، احتمال موفقیت بیش تری دارد .

اگر از یون آهن (III) به جای یون آهن (II) به عنوان کاتالیست استفاده می-کردیم، چه اتفاقی می افتد؟ واکنش به سادگی در یک مرتبه ی متفاوتی انجام می گیرد.

تخریب لایه ی اوزون:

این نیز مثال خوبی از واکنشی است که تمام اجزای آن در فاز گازی قرار دارند.

اوزون (O₃) به طور دائم تولید می شود و دوباره در جو بالا با اثر نور فرابنفش تجزیه می شود. به طور معمول، مولکول های اکسیژن، نور فرابنفش را جذب کرده و به اتم های اکسیژن منفرد تجزیه می شوند. این اکسیژن های منفرد، الکترون های جفت نشده ای دارند که به رادیکال های آزاد معروفند و بسیار واکنش پذیرند.

سپس رادیکال های اکسیژن می توانند با مولکول های اکسیژن عادی ترکیب می شوند تا اوزون تولید کنند:

اوزون هم می تواند دوباره توسط جذب نور فرابنفش به اکسیژن عادی و یک رادیکال آزاد از هم جدا شود:

این تشکیل و تجزیه ی اوزون در هر زمانی انجام می گیرد. تمام این واکنش ها با هم،جلوی تابش نفوذی فرابنفش مضر خورشید را می گیرند و از رسیدن آن به سطح زمین جلوگیری می کنند.

واکنش کاتالیستی که مورد توجه ماست، اوزون را تخریب کرده و از این طریق، جذب نور فرابنفش (UV) را متوقف می کند.

برای مثال، کلرفلوئورکربن هایی (CFC) مانند CF₂Cl₂  در مقادیر عظیمی در یخچال ها و دود کارخانجات صنعتی تولید می شوند. تفکیک کند این مواد در جو زمین باعث تولید اتم های کلر (رادیکال های آزاد کلر) می شود. این اتم ها مانند کاتالیستی، تخریب لایه ی اوزون را سرعت می دهند.

این تخریب در دو مرحله اتفاق می افتد. ابتدا اوزون تجزیه می شود و یک رادیکال آزاد تازه تشکیل می شود:

رادیکال کلر که نقش کاتالیست را دارد، در واکنش دوم بازتولید می شود. این مرحله نیز به دو صورت ممکن است اتفاق بیفتد و آن این که آیا رادیکال های ClO به مولکول اوزون برخورد می کنند یا یک رادیکال اکسیژن؟

اگر رادیکال های ClO به رادیکال اکسیژن برخورد کنند: ( رادیکال اکسیژن در یکی از واکنش هایی که در بالا ذکر شد، تولید می شود ):

یا به مولکول های اوزون برخورد کنند:

به دلیل این که رادیکال های کلر به بازتولید خود همچنان ادامه می دهند، هر کدام از آن ها می تواند هزاران مولکول اوزون را تخریب کند.

ترانسفورماتور

ترانسفورماتور(Transformer)

وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را با دو یا چند سیم‌ پیچ و از طریق القای الکتریکی از یک مدار به مداری دیگر منتقل می‌کند.

یکی از کاربردهای بسیار مهم ترانسفورماتورها، کاهش جریان در ابتدای خطوط انتقال انرژی الکتریکی است.

دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه رساناهای الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند، این مقاومت می‌تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود.

میزان تلفات در یک هادی، با مجذور جریان عبوری از هادی، رابطه مستقیم دارد و بنابر این با کاهش جریان می‌توان تلفات را به شدت کاهش داد.

با افزایش ولتاژ در خطوط انتقال، به همان نسبت جریان خطوط کاهش می‌یابد و به این ترتیب هزینه‌های انتقال انرژی نیز کاهش می‌یابد، به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دور دست انرژی فراهم نمی‌آمد.

 

ساختمان ترانسفورماتور:

هر ترانسفورماتور دارای دو سیم پیچ اولیه و ثانویه می‌باشد و هر سیم پیچ دارای یك هسته می‌باشد كه این هسته دارای خاصیت مغناطیسی است. تعداد دور های سیم پیچ اولیه N₁ و تعداد دور های سیم پیچ ثانویه N₂ می باشد که به ترتیب در آن ها جریان های اولیه و ثانویه بر قرار است.

 

اساس کار ترانسفورماتور:

ترانسفورماتورها بر اساس پدیده القای متقابل كار می‌كنند. به این صورت که جریان جاری درسیم پیچ اول (اولیه ترانسفورماتور) موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم ‌پیچ اول می‌شود(قانون اورستد)،تغییر این میدان مغناطیسی به نوبه خود باعث تغییر شار و در نتیجه به وجود آمدن یک نیروی محرکه القایی در سیم پیچ دوم می شود (القای فارادی). ولتاژ القا شده درسیم پیچ دوم (ثانویه) V_S و ولتاژ دو سر سیم‌ پیچ اولیه V_P دارای یک نسبت با یک دیگرند که برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم‌ پیچ اولیه‌است:

شار كل عبوری از اولیه ترانسفور ماتور1:

 1 = N₁ BA

شار كل عبوری از اولیه ترانسفور ماتور2:

2 = N₁ BA

آن گاه خواهیم داشت:

اصل پاسکال:

با ذکر یک مثال، بحث را شروع می کنیم.

دو جعبه مانند شکل زیر را در تماس با هم در نظر بگیرید. اگر به جعبه 1 نیرویی وارد شود، این جعبه، نیرویی را به جعبه 2 وارد خواهد کرد.

نیروی وارد بر جعبه 2 در همان جهت نیروی وارد شده بر جعبه 1 است.

حال ببینیم اگر نیرویی را بر یک شاره (سیال، هر ماده ای که بتواند حرکت کرده و شکل ظرف را به خود بگیرد) وارد کنیم، چه اتفاقی می افتد.

در هر دو مورد نشان داده شده در شکل، فشار به هر نقطه درون شاره انتقال پیدا می کند. این دو مورد، مثال هایی از اصل پاسکال هستند.

فشار به صورت نیروی وارد بر واحد سطح تعریف می شود. با یک نیروی معین، می توان فشار زیادی به سطح کوچکی وارد کرد یا برعکس.

تمام قطعه های هیدرولیکی (که با نیروی محرکه آب کار می کنند) بر پایه ی اصل پاسکال برای وارد کردن نیروی زیاد استوارند. پاسکال، این اصل بنیادی را کشف کرد:

مثال: بهترین مثال برای فهم اصل پاسکال، پیستون آبی است.

اگر نیروی F₁ به پیستونی با مساحت A₁ وارد شود، فشار در سیال به نسبت F₁/A₁ افزایش می یابد. برای تعادل مایع، فشار رو به بالای مایع روی پیستونی به مساحت A₂ باید با فشار رو به پایینی متعادل شود. با استفاده از اصل پاسکال داریم:

بر اثر جابجایی سیلندر طرف چپ، حجمی از سیال به مقدار A₁×h   جا به جا می شود. چون سیال، تراکم ناپذیر است، حجم سیال جا به جا شده در طرف دوم نیز همین مقدار است. اگر جابه جایی پیستون دوم H باشد:

بالابر (جک) هیدرولیکی ماشین:

بالابر هیدرولیکی ماشین، مثالی از زیاد شدن نیرو توسط فشار هیدرولیکی است و بر اساس اصل پاسکال کار می کند. سیال در یک سیلندر کوچک باید بیش تر از فاصله ای که ماشین بالا می رود، حرکت کند.

برای مثال، اگر سیلندر قسمت بالابر پیستون دارای قطر25 cm   و قطر سیلندر کوچک 1.25 cm  باشد، نسبت مساحت ها 400 خواهد بود؛ بنابراین فشار هیدرولیکی باعث افزایش 400 برابری نیرو می شود. برای بلند کردن ماشین 6000 نیوتنی باید یک نیروی 6000 N/400=15 N  روی سیال در سیلندر کوچک برای بلند کردن ماشین وارد شود. بنابراین، برای 10 cm  بالا بردن ماشین، مجبورید سیال (در ماشین، روغن) را 400* 10 cm =40 m  حرکت دهید. این کار با تلمبه کردن روغن در سیلندر کوچک با یک کمپرسور کوچک امکان پذیر است.

فشار هیدرولیکی:

افزایش نیرو می تواند با به کاربردن فشار طبق اصل پاسکال به دست آید:

P₁ = P₂

این اصل اجازه بلند کردن بار سنگین با نیروی کوچک را می دهد؛ البته افزایش در مقدار کار انجام شده نیز می تواند وجود داشته باشد. بنابراین در یک مورد ایده آل بدون هیچ اتلاف توسط اصطکاک داریم:

W_ورودی = W_خروجی

مول و مولاریته

"مول" یک واحد اندازه‌گیری است که در علم شیمی برای شمردن تعداد ذرات موجود به کار می‌رود.

اندازه‌گیری واحدی مانند مول به شمردن تعداد 12 عدد کیک شبیه است! البته کیک می‌تواند یکی یکی شمرده شود اما اگر تعداد کیک‌ها زیاد است، بهتر است دوجین دوجین آن‌ها را بشماریم.

اتم‌ها نیز می‌توانند به صورت نظری یکی یکی شمرده شوند. اما حتی یک بلور کوچک الماس شامل تعداد اتم کربنی بالای 100,000,000,000,000,000 است!

بنابراین چون تعداد اتم‌ها زیاد است باید از یک واحد اندازه‌گیری بهتری استفاده کنیم.

تعریف مول:

به طور اختیاری، دوجین به معنای 12 تا است اما تعریف مول بر اساس نتایج تجربی به صورت زیر است:

 این تعداد تقریباً با 6.0221367 * 10²³  است. این مقدار، عدد آووگادرو یا ثابت آووگادرو (L) است و به افتخار دانشمند ایتالیایی آمادئو آووگادرو چنین نامیده شده است.

اتم ها آن قدر کوچک اند که زیر میکروسکوپ هم دیده نمی شوند.

برخلاف دوجین، مول یک عدد معمولی نیست. زیرا همچنان از نظر تجربی، شمردن تک تک اتم‌ها امکان ندارد. دستیابی به عدد آووگادرویی صحیح‌تر هنوز هم مورد توجه برخی دانشمندان است.

در سطح رسمی، معمولاً عدد آووگادرو را به صورت زیر بیان می‌کنند:

 

شمردن اتم‌ها به وسیله‌ی وزن کردن:

بر اساس تعریف مول و نتایج تجربی:

(نماد ≡   به معنای هم ارزی است). به دلیل این‌که تمام جرم‌های ایزوتوپی بر اساس مقیاس کربن- 12  هستند، جرم 1 مول از ایزوتوپ‌های دیگر نیز می‌تواند معین شود.

مثال:

جرم یک ایزوتوپ Mg - 12 دو برابر جرم ایزوتوپ C  - 12 است؛ یعنی:

با وزن کردن 24 g  از Mg-24 ، می‌توان به 6.02 * 10²³ ایزوتوپ Mg-24 رسید. همچنین برای محاسبه 1.00* 10²⁰  ایزوتوپ Mg-24 باید :

از Mg-24 را وزن کرد.

 

جرم 1 مول از یک ماده‌ی خاص، جرم مولی آن نامیده می‌شود.

جرم مولی یک ایزوتوپ به طور عددی مشابه جرم نسبی ایزوتوپ است. اما جرم مولی دارای واحد gmol^-1 است در حالی که جرم ایزوتوپی واحدی ندارد.

یعنی:

 

این کار ،امکان شمردن اتم‌ها با وزن کردن را به وجود می‌آورد؛ پس دلیل تعیین عدد مولی به این طریق معلوم می‌شود.

به طور مشابه، تعداد اتم‌ها می‌تواند با استفاده از جرم اتمی نسبی محاسبه شود؛ یعنی:

 

 

 

محاسبه‌ی واحد فرمولی با وزن کردن:

 

 

با ذکر مثال می‌توان این مطلب را بهتر متوجه شد:

1 واحد فرمولی H₂O از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است؛ یک مول مولکول H₂O از دو مول اتم هیدروژن و ا مول اتم اکسیژن تشکیل شده است.

جرم 1 مول H₂O:

 

جرم فرمولی و جرم مولکولی:

جرم فرمولی به صورت جمع جرم اتمی نسبی موجود در یک فرمول، تعیین می‌شود؛ یعنی:

جرم مولکولی، جمع جرم اتمی نسبی موجود در یک فرمول مولکولی است.

مثال:

 

جرم مولکولی به جرم فرمولی شبیه است اما فقط به ترکیب مولکولی محدود شده است.

جرم مولی مواد مختلف:

گفتیم جرم 1 مول از یک ماده‌ی خاص، جرم مولی آن ماده نامیده می‌شود. به عنوان مثال:

جرم مولی C-12 = 12 gmol^-1

جرم مولی سدیم کلراید (NaCl) = (23.0+35.5) gmol^-1 = 58.5 gmol^-1

جرم مولی از نظر عددی مشابه جرم فرمولی است اما جرم مولی، گرم واحد در هر مول دارد (gmol^-1).

مقایسه‌ی جرم‌های مختلف:

مول و مولاریته

 

"مول" یک واحد اندازه‌گیری است که در علم شیمی برای شمردن تعداد ذرات موجود به کار می‌رود.

 

اندازه‌گیری واحدی مانند مول به شمردن تعداد 12 عدد کیک شبیه است! البته کیک می‌تواند یکی یکی شمرده شود اما اگر تعداد کیک‌ها زیاد است، بهتر است دوجین دوجین آن‌ها را بشماریم.

اتم‌ها نیز می‌توانند به صورت نظری یکی یکی شمرده شوند. اما حتی یک بلور کوچک الماس شامل تعداد اتم کربنی بالای 100,000,000,000,000,000 است!

بنابراین چون تعداد اتم‌ها زیاد است باید از یک واحد اندازه‌گیری بهتری استفاده کنیم.

 

تعریف مول:

به طور اختیاری، دوجین به معنای 12 تا است اما تعریف مول بر اساس نتایج تجربی به صورت زیر است:

 

مول، تعداد ایزوتوپ‌های موجود در 12 g ایزوتوپ کربن- 12 است.

 

 این تعداد تقریباً با 6.0221367 * 10²³  است. این مقدار، عدد آووگادرو یا ثابت آووگادرو (L) است و به افتخار دانشمند ایتالیایی آمادئو آووگادرو چنین نامیده شده است.

 

 

اتم ها آن قدر کوچک اند که زیر میکروسکوپ هم دیده نمی شوند.

 

 

1 L = 602,213,670,000,000,000,000,000

 

برخلاف دوجین، مول یک عدد معمولی نیست. زیرا همچنان از نظر تجربی، شمردن تک تک اتم‌ها امکان ندارد. دستیابی به عدد آووگادرویی صحیح‌تر هنوز هم مورد توجه برخی دانشمندان است.

در سطح رسمی، معمولاً عدد آووگادرو را به صورت زیر بیان می‌کنند:

 

1 L = 6.02  *10²³

 

 

 

عدد مولی نیز به همین صورت تعریف می‌شود زیرا با تعریف جرم ایزوتوپی نسبی ، اتم‌ها می‌توانند با وزن کردن به صورت غیر مستقیم شمرده شوند.

 

 

شمردن اتم‌ها به وسیله‌ی وزن کردن:

بر اساس تعریف مول و نتایج تجربی:

 

 

(نماد ≡   به معنای هم ارزی است). به دلیل این‌که تمام جرم‌های ایزوتوپی بر اساس مقیاس کربن- 12  هستند، جرم 1 مول از ایزوتوپ‌های دیگر نیز می‌تواند معین شود.

 

مثال:

جرم یک ایزوتوپ Mg - 12 دو برابر جرم ایزوتوپ C  - 12 است؛ یعنی:

 

 

با وزن کردن 24 g  از Mg-24 ، می‌توان به 6.02 * 10²³ ایزوتوپ Mg-24 رسید. همچنین برای محاسبه 1.00* 10²⁰  ایزوتوپ Mg-24 باید :

از Mg-24 را وزن کرد.

 

 

جرم 1 مول از یک ماده‌ی خاص، جرم مولی آن نامیده می‌شود.

جرم مولی یک ایزوتوپ به طور عددی مشابه جرم نسبی ایزوتوپ است. اما جرم مولی دارای واحد gmol^-1 است در حالی که جرم ایزوتوپی واحدی ندارد.

 

یعنی:

 

این کار ،امکان شمردن اتم‌ها با وزن کردن را به وجود می‌آورد؛ پس دلیل تعیین عدد مولی به این طریق معلوم می‌شود.

به طور مشابه، تعداد اتم‌ها می‌تواند با استفاده از جرم اتمی نسبی محاسبه شود؛ یعنی:

 

 

 

 

محاسبه‌ی واحد فرمولی با وزن کردن:

 

 

با ذکر مثال می‌توان این مطلب را بهتر متوجه شد:

1 واحد فرمولی H₂O از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است؛ یک مول مولکول H₂O از دو مول اتم هیدروژن و ا مول اتم اکسیژن تشکیل شده است.

 

جرم 1 مول H₂O:

 

 

 

جرم فرمولی و جرم مولکولی:

جرم فرمولی به صورت جمع جرم اتمی نسبی موجود در یک فرمول، تعیین می‌شود؛ یعنی:

 

جرم مولکولی، جمع جرم اتمی نسبی موجود در یک فرمول مولکولی است.

 

مثال:

 

 

 

جرم مولکولی به جرم فرمولی شبیه است اما فقط به ترکیب مولکولی محدود شده است.

 

جرم مولی مواد مختلف:

گفتیم جرم 1 مول از یک ماده‌ی خاص، جرم مولی آن ماده نامیده می‌شود. به عنوان مثال:

 

جرم مولی C-12 = 12 gmol^-1

 

جرم مولی سدیم کلراید (NaCl) = (23.0+35.5) gmol^-1 = 58.5 gmol^-1

 

جرم مولی از نظر عددی مشابه جرم فرمولی است اما جرم مولی، گرم واحد در هر مول دارد (gmol^-1).

 

مقایسه‌ی جرم‌های مختلف:

 

جزر و مد و انواع آن

کلمه جزر و مد یا کشند، اصطلاحی عمومی است که بیان گر بالا و پایین رفتن نوسانی در سطح اقیانوس، دریا و حتی دریاچه ها نسبت به سطح زمین است. این اثر به دلیل جاذبه گرانشی ماه، خورشید و حتی اجرام سماوی دیگر ایجاد می شود. جزر و مد در حد بسیار کوچک تر در دریاچه های بزرگ، اتمسفر و داخل پوسته ی جامد زمین هم اتفاق می افتد.

نیروی جزر و مدی

اثر جزر و مد روی جسم نزدیک تر، بزرگ تر است زیرا قانون عکس مجذوری موجود در نیروی گرانشی، در سمت نزدیک تر جسم، نسبت به سمت دورتر آن، بزرگ تر است.

همان طور که در شکل زیر نشان داده شده، نسبت جزر و مدی در هر واحد جرم بر روی سمت نزدیک جسم در مقایسه با سمت دور آن برای جسم نزدیک تر، بزرگ تر است:

زمین در هر روز، دو جزر و مد قوی را به دلیل تغییرات میدان گرانشی ماه در سطح و مرکز زمین، تجربه می کند. می توان گفت که هر سمت زمین که نسبت به ماه، نزدیک تر قرار می گیرد، جزر و مد بالایی دارد؛ زیرا ماه، آب ها را از زمین بیرون می کشد! در سمت دورتر زمین نسبت به ماه، باز هم اثر جزرو مدی بالاست زیرا ماه، زمین را از آب بیرون می کشد!

 

اثر جزر و مد خورشید:

با وجودی که خورشید 391 برابر دورتر از فاصله ی ماه به زمین است، نیروی آن روی زمین، دارای مرتبه بزرگی حدود 175 است. با این حال، اثر جزر و مدی آن، کوچک تر از ماه است؛ زیرا جزر و مد از تفاوت در میدان گرانشی کل زمین ایجاد می شود. قطر زمین، کسر کوچکی از فاصله ی زمین تا خورشید است؛ میدان گرانشی تنها با یک ضریب 1.00017 در سراسر زمین تغییر می کند. تغییرات نیروی واقعی در سراسر زمین 0.03 = 174.5 * 0.00017 برابر نیروی ماه است؛ که در مقایسه با تغییر 0.068 در سراسر زمین برای نیروی ماه، مقدار کوچکی است.

ماه نسبت به خورشید، منبع غالب جزر و مد است.

زیرا تفاوت کسری در نیروی ماه در عرض زمین، بزرگ تر از تفاوت کسری در نیروی خورشید است. این تفاوت از قانون عکس مجذوری تبعیت می کند.

انواع مختلف جزر و مد:

زمانی که ماه و خورشید در یک ردیف قرار می گیرند، نیروهای گرانشی قوی به وجود می آید که باعث جزر و مدهای خیلی بالا و خیلی پایین می شوند که به جزر و مد کامل موسوم اند. وقتی ماه و خورشید در یک راستا نباشند، نیروهای گرانشی، اثر هم دیگر را خنثی می کنند و جزر و مدهای آن چنان بالا و پایین پدیدار نمی شود؛ این جزر و مدها را خفیف ترین جزر و مد یا کهکشند می نامند.

جزر و مد کامل (spring tides):

وقتی ماه، کامل است یا نو، کشش گرانشی ماه و خورشید با هم ترکیب می شود. در این مواقع، مدها بسیار بالا و جزرها بسیار پایین هستند و به جزر و مد کامل موسوم اند. زمانی که زمین، خورشید و ماه در یک خط قرار گیرند، این گونه جزر و مدها مشاهده می شوند.

     مثالی از جزر و مد کامل:  نمایی از خلیج کوچکی در نوا اسکوتیا. این تصویر،

نشان دهنده گذشت زمان برای بالا و پایین رفتن آب در یک دوره 6.5 ساعته است. طی 6.5 ساعت بعد جزر، ماهی گیرها کشتی های خود را در اسکله خالی می کنند. مد بلندی در هر 12.5 ساعت اتفاق می افتد؛ پس در هر 25 ساعت، دو مد اتفاق می افتد!

جزر و مد خفیف یا کهکشند (neap tides):

وقتی ماه در فازهای یک چهارم و سه چهارم باشد (یعنی ماه و خورشید در زاویه قائمی نسبت به هم قرار بگیرند)، اثر جزر و مد ماه و خورشید خنثی می شود. بنابراین خفیف ترین حالت جزر و مد پیش می آید.

جزر و مد کامل حضیضی (proxigean spring tide):

می دانیم که ماه مسیری بیضوی به دور زمین را دنبال می کند که فاصله حضیض این مدار 356,400 کیلومتر است؛ این فاصله، حدود 92.7 درصد فاصله متوسط آن است. به علت این که نیروهای جزر و مدی با توان سوم فاصله تغییر می کنند، این تغییر کوچک 8% ، بیان گر 25% افزایش در قدرت تولید جزر ومد توسط ماه بر روی زمین است. اگر حضیض مدار ماه زمانی اتفاق بیفتد که ماه بین زمین و خورشید قرار دارد، یک مد کامل و بلند غیر عادی موسوم به جزر و مد کامل حضیضی تولید می شود. وقتی چنین اتفاقی در سمت دیگر زمین که خورشید در آن قرار دارد، بیفتد (در طول ماه کامل) یک جزر و مد بسیار خفیف غیرعادی هم در این قسمت تولید می شود. جزر و مد کامل حضیضی، هر 1.5 سال یک بار اتفاق می افتد.

اثر دوپلر و دیوار صوتی

مقدمه:

تغییر ناگهانی صدای بوق ماشین یا صدای آهنگی که از ماشین در حال عبور (به عنوان منبع) از کنار شما (ناظر) به گوش می رسد، توسط کریستین دوپلر در سال 1842 مطرح شد. اثر دوپلر عبارت است از:

جابه جایی و شیفت در فرکانس و طول موج امواجی که از منبع متحرک نسبت به محیط، سرچشمه می گیرند.

فرکانس دریافتی (´f) توسط رابطه زیر به فرکانس واقعی منبع مربوط می شود؛ سرعت منبع (v_s)، سرعت ناظر (v_o) و سرعت موج (v) در محیط با رابطه زیر داده می شود:

انتخاب علامت (+) یا (-) طبق قرارداد به این صورت است که اگر منبع و ناظر به سمت هم حرکت کنند، فرکانس دریافتی(´f) بزرگ تر از فرکانس واقعی (f₀) است و اگر منبع و ناظر از هم دور شوند، فرکانس دریافتی (´f) از فرکانس واقعی (f₀) کوچک تر خواهد بود.

اگرچه این رابطه ابتدا برای امواج صوتی به کاربرده شد؛ اما برای تمام امواج از جمله نور (و دیگر امواج الکترومغناطیسی) صادق است. اثر دوپلر برای نور معمولا بر اساس تغییر رنگ ها نسبت به فرکانس توصیف می شود. به عنوان مثال، شیفت قرمز  نور برای کهکشان های دور دست ثابت می کند که جهان در حال انبساط است.

منبع صوتی ساکن:

تصویر متحرک زیر، منبع صوتی ساکنی را نشان می دهد. امواج صوتی با فرکانس ثابت f₀ تولید می شوند و جبهه های موج به طور متقارن در اطراف منبع با سرعت ثابت v انتشار می یابند که همان سرعت صوت در محیط است. فاصله بین جبهه های موج، طول موج است و تمام ناظرها فرکانس یکسانی را خواهند شنید که با فرکانس واقعی منبع، یکی است.

برای نشان دادن این که چگونه امواج دایره ای می توانند تولید شوند (بر حسب حرکت موجی و ذره ای) این جا را ببینید.

منبع متحرک با صوتV > منبعV (عدد ماخ 0.7):

در تصویر متحرک زیر، همان منبع صوتی، امواج صوتی را با فرکانس ثابت در همان محیط منتشر می کند؛ با این فرق که اکنون با سرعت vs = 0.7 v  (عدد ماخ 0.7) به سمت راست حرکت می کند.

جبهه های موج با همان فرکانس قبل تولید می شوند. با این وجود، زمانی که منبع حرکت می کند، مرکز هر جبهه موج جدید اندکی به سمت راست حرکت می کند. در نتیجه، جبهه های موج در سمت راست (در جلوی منبع صوت) به هم فشرده می شوند و در سمت چپ (پشت منبع صوت) از هم دور می شوند. ناظر در جلوی منبع، فرکانس بالاتر f ´ > f0  و پشت منبع،فرکانس پایین تر f ´< f₀ را می شنود.

منبع متحرک با سرعت صوتV = منبعV (عدد ماخ 1، شکستن سد صوتی):

حال منبع صوتی با سرعت صوت حرکت می کند. سرعت صوت در هوا و در سطح دریا حدود 340 m/s یا حدود 750  مایل در هر ساعت است. اکنون جبهه های موج همگی در جلوی منبع در همان نقطه جمع می شوند. در نتیجه، تا وقتی که منبع نرسیده است، برای ناظر در جلوی منبع، چیزی آشکار نخواهد بود. جبهه فشار به دلیل جمع شدن تمام جبهه های موج کاملا شدید خواهد بود (یک موج ضربه ای)، و هنگامی که دیواره فشار  عبور می کند، به صورت زیر و بم دریافت نخواهد شد، بلکه به صورت "گرومپ" مانندی شنیده خواهد شد.

شکل بالا گلوله ای را نشان می دهد که با M=1.01 حرکت می کند. می توانید جبهه موج ضربه ای را در  جلوی نقطه ببینید.

 

        خلبان های جتی که در M=1 حرکت می کنند، گزارش می کنند که "دیوار" یا "سد" محسوسی وجود دارد که بایستی قبل از رسیدن به سرعت های مافوق صوت سوراخ شوند. این "دیوار" به دلیل شدت جبهه فشار است و پرواز کردن در این جبهه فشار، یک سواری آشفته و جهنده ای تولید خواهد کرد.

چاک ایگر اولین کسی بود که هنگام پرواز سریع تر از سرعت صوت در 14 اکتبر 1974 با هواپیمای موشکی X-1 دیوار صوتی را شکست.

منبع متحرک با صوتV  < منبعV(عدد ماخ 1.4 – مافوق صوت):

اکنون منبع صوت از سد سرعت صوتی عبور کرده است و با سرعت 1.4 برابر سرعت صوت (عدد ماخ 1.4) در حال حرکت است. از آن جایی که منبع با سرعت بیش تر از امواج صوتی که ایجاد می کند، حرکت می کند، واقعا از جبهه موج خود سبقت می گیرد. قبل از این که ناظر صدایی تولید شده توسط منبع را بشنود، منبع صوت از کنار ناظر ساکن رد می شود.

به تشکیل مخروط ماخ در این شکل دقت کنید؛ زاویه این مخروط به سرعت منبع نسبت به سرعت صوت بستگی دارد. این جبهه فشار قوی در مخروط ماخ است که باعث موج ضربه ای موسوم به "صدای شکستن دیوار صوتی" هنگام گذشتن هواپیما از بالای سر ناظر می شود. موج ضربه با سرعت صوتی v پیش روی می کند و چون از ترکیب تمام جبهه موج ها، تشکیل یافته است، صدای شنیده شده توسط ناظر، کاملا زیاد خواهد بود. یک هواپیمای مافوق صوت معمولا دو صدای شکست دیوار صوتی تولید می کند؛ یکی از دماغه هواپیما و دیگری از دم آن؛ که به صدای بلند دوگانه منجر می شود.

 شکل روبرو، گلوله ای را با عدد ماخ 2.45  نشان می دهد. مخروط ماخ و جبهه موج

 ضربه کاملا محسوسند.

 

 

جبهه موج ایجاد شده توسط T-38 تالون، یک توربو جت دو موتوره با قابلیت پرواز در ارتفاع بالا و مافوق صوت

 

 

شکست دیوار صوتی توسط گروه TRUST-SSC ؛ رکورد سرعت فرود و دیوار صوتی روی زمین توسط این گروه شکسته شد.