مدل سازی در فیزیک

پدیده هایی مانند پرتاب توپ، افتادن برگ درخت، تشکیل رنگین کمان، آذرخش و …، ممکن است برای ما عادی شده باشند؛ ولی بررسی و تحلیل آنها در فیزیک معمولاً با پیچیدگی هایی همراه است. به همین دلیل فیزیک دانان برای بررسی پدیده ها، از مدل سازی در فیزیک استفاده می کنند.

مدل سازی در فیزیک

 مدل سازی در فیزیک فرایندی است که طی آن یک پدیده فیزیکی، آنقدر ساده و آرمانی می شود تا امکان بررسی و تحلیل آن فراهم شود.  برای شناخت بهتر فرایند مدل سازی در فیزیک، حرکت یک توپ پرتاب شده را بررسی می کنیم. ممکن است در نگاه اول، بررسی و تحلیل حرکت توپ، ساده به نظر برسد، ولی واقعیت برخلاف این است.

مدل چه ویژگی هایی باید داشته باشد

• مدل، روایت ساده شده‌ی یک فرآیند تصویری را مورد بررسی قرار می‌دهد.
• مدل می‌تواند توضیحی یا توصیفی باشد.
• مدل باید توان پیشگویی داشته باشد.
• مدل باید توان پیش‌بینی محدودیت‌های یک حرکت را داشته باشد.

مدل سازی حرکت توپ در هوا

توپ،یک کره کامل نیست (درزها و برجستگی هایی روی توپ وجود دارد) و در حین حرکت به دور خود می چرخد، باد و مقاومت هوا بر حرکت آن اثر می گذارند. وزن توپ با تغییرفاصله آن از مرکز زمین تغییرمی کند.اگر بخواهیم تمام این موارد را هنگام بررسی و تحلیل حرکت توپ در نظر بگیریم، تحلیل ما پیچیده خواهد شد.  (شکل زیر الف)

با مدل سازی حرکت توپ، می توانیم تا حدود زیادی این پیچیدگی ها را کاهش دهیم و بررسی و تحلیل حرکت توپ را به طور ساده، امکان پذیر سازیم. با چشم پوشیدن از اندازه و شکل توپ، آن را به صورت یک جسم نقطه ای یا ذره در نظر می گیریم. همچنین با فرض اینکه توپ در خلأ حرکت میکند، از مقاومت هوا و اثر وزش باد صرف نظر می کنیم.سرانجام فرض می کنیم با تغییر فاصله توپ ازمرکز زمین،وزن آن ثابت می ماند (شکل بالا ب).

 اینک مسیٔله ما به قدر کافی ساده شده است و می توانیم حرکت آن را بررسی و تحلیل کنیم. توجه داریم هنگام مدل سازی یک پدیده فیزیکی،باید اثرهای جزیٔی تر را نادیده بگیریم نه اثرهای مهم وتعیین کننده را. برای مثال،اگر به جای مقاومت هوا،نیروی جاذبه زمین را نادیده می گرفتیم، آنگاه مدل ما پیش بینی می کرد که وقتی توپی به بالا پرتاب شود در یک خط مستقیم بالا می رود!

نمونه ای از مدل سازی در مکانیک

در شکل زیر شخصی در حال هل دادن یک کمد بزرگ است و با استفاده از دست های خود به جسم نیرو وارد می کند تا بتواند آن را جابه جا کند. می دانیم که نیروی اصطکاک بین سطح زیر کمد و زمین باعث می شود که حرکت کمد بسیار سخت شود. در شکل زیر نیروهای وارد بر کمد را مشاهده می کنید.

برای مدل سازی این حالت در مکانیک، همانطوری که در شکل زیر می بینید، جسم را به صورت یک نقطه در نظر می گیریم و ابعاد آن را در نظر نمی گیریم. اما نیروی دست و نیروی اصطکاک را نمی توانیم حذف کنیم، چون نیروی های مهم و اثر گذار هستند. مثلا اگر نیروی اصطکاک را در نظر نگیریم هر جسم سنگینی را براحتی می توان با نیروی بسیار اندک حرکت داد. پس ساده سازی که صورت گرفت همان حذف ابعاد جسم بود.

در شکل زیر شخصی را در حالت ایستاده مشاهده می کنید که جعبه ای در دست خود گرفته است (شکل الف). دو نیرو به جعبه وارد می شود. یکی نیروی دست که از طرف شخص و رو به بالا به جعبه وارد می شود. نیروی دیگر، وزن جعبه است که رو به پایین و از طرف زمین به جعبه وارد می شود.  در شکل ب، نیروهای وارد بر جعبه، که به صورت یک ذره مدل سازی شده، نشان داده شده است.

---

ویدیو آموزشی مدل سازی در فیزیک

در این ویدیو آموزشی که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است، به بررسی مدل سازی در فیزیک و چند مثال کاربردی می پردازیم.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

---

---