۲ - گسترش مکانیک

تو مکانیک، ما به این نگاه میکنیم که یک نیروی اعمال شده، چجوری حرکتِ یک بدن رو تغییر میده. هر شاخه مکانیک شامل دو زیر شاخه ن، یکی روی توضیح حرکت متمرکزه (کینه ماتیک - kinematics) و اون یکی، روی نیروهائی که موجب حرکت میشن (کینه تیک - kinetics). شکل ۲-۱ یه نمای کلی از زیر شاخه های مکانیک بهتون نشون میده که توی این بخش، بیشتر در موردشون حرف میزنیم.

شکل ۲-۱: زیر شاخه های مکانیک

توضیحِ حرکت با کینه ماتیک

کینه ماتیک (kinematics) یکی از زیر شاخه های مکانیکه که حرکت را توضیح میده. وقتی یک بدن را میبینید و موقعیت اش را شرح میدید، که چقدر دور میشود، با چه سرعتی حرکت میکند و اینکه آیا سرعت میگیرد یا یواش میرود، در واقع دارید یک آنالیز کینه ماتیک انجام میدهید. 

حرکت انسان پیچیده است، حتا اگر حرکت ساده ای را انجام بده. مثلا اگر بخواهید یک خطِ ساده بکشید، آیا تنها با انگشتتان میتوانید؟ نه! برای این کار، هماهنگی حرکتی حداقل دو مفصل لازم است: شانه و آرنج.

هماهنگی بخش های مختلف در مفاصل مختلف، برای ایجاد یک حرکت خطی در یک قسمت از بدن، حرکت عمومی (general motion) نام دارد. بیشتر حرکت های بدن انسان، حرکات عمومی هستند و بیشترشون، حرکت های پیچیده ای هستند. به همین دلیل، بهتر است جداگانه به حرکت های خطی و زاویه ای نگاه کنیم.

کینه ماتیک خطی

کینه ماتیک خطی، حرکت خطی یا حرکت در طول یه خط (که بهش جابجایی هم گفته میشه) رو توضیح میده. دو نوع حرکت خطی وجود داره:

• حرکت مستقیم: جابجایی در یک خط راست. نوک انگشت شما یک حرکت مستقیم را طی میکند اگر یک خط راست را روی یک کاغذ دنبال کنید.
• حرکت منحنی: جابجایی در یک خط منحنی. اگر مثلا بخواهید انگشتتان راروی یک کاغذ و فقط با کمک یک مفصل حرکت دهید.
  حرکت منحنی، مسیری که توسط یک شیِ در حال حرکت (در هوا و بدون پشتیبانی) پیموده شده را هم شرح میدهد، مثل یک توپ پرتاب شده یا یک بچه در حال پریدن. این بدن در هوا، خواسته یک بچه باشد یا توپ، پرتابه، نامیده میشود، و مسیر منحنی که طی میکند، سهمی (parabola)، نامیده میشود (یک مسیر U برعکس).

توضیح معمولیِ حرکتِ خطی شامل این میشود که مثلا بدن چقدر دور میشود، چقدر تند میرود. بعضی عبارات آشنا، برای توضیح حرکت خطی استفاده میشوند، اما در واقع در مکانیک تعاریف دقیقی دارند:

• فاصله (distance) و جابجایی (displacement) اغلب به جای هم استفاده میشن تا بگن که بدن چقدر دور میشه، اما در مکانیک، فاصله، خیلی ساده یعنی چقدر دور، و جابجایی یعنی چقدر دور در یک مسیر مشخص.
• اسپید (speed) و سرعت (velocity)، هردوشون توضیح میدن که بدن چقدر سریع حرکت میکنه، اما در مکانیک، اسپید، یعنی بدن چقدر سریع حرکت میکنه، در حالی که سرعت یعنی بدن چقدر سریع در یک جهت خاص حرکت میکنه.
• شتاب (acceleration) یه ایده قلق دار اما مهمه که تغییر در سرعت یک بدن رو توضیح میده. در زبون روزمره، شتاب معمولا یعنی افزایش سرعت و کاهش شتاب، یعنی کم کردن سرعت. در مکانیک، شتاب هم برای کاهش و هم افزایش سرعت استفاده میشه. برای این در هر دو جا استفاده میشه، چون شتاب، یه رابط هست برای توضیح حرکت، کینه ماتیک، و نیرویی که سبب ایجاد حرکت میشه (کینه تیک). مثلا نیروی جاذبه، یک شتاب رو به پایین رو برای بدن ایجاد میکنه، وقتی میپرید بالا، شتاب جاذبه، حرکت رو به بالای شما رو کم میکنه، اما حرکت رو به پایین شما رو وقتی دارد میاید پایین، سرعت میبخشه.

برای دونستن بیشتر در مورد کینه ماتیک خطی، شامل پرتابه و حرکت سهموی، فصل ۵ رو بخونید.

کینه ماتیک زاویه ای
کینه ماتیک زاویه ای، حرکت زاویه ای (angular motion) یا حرکتی که شامل چرخش باشه رو توضیح میده، مثل چرخیدن یا خم شدن. کینه ماتیک زاویه ای برای توضیح چرخش کل بدن استفاده میشه، مثل زمانی که یک شبرجه زن یا ژیمناست، توی هوا میچرخن یا چرخش یه بخش از بدن، مثل زمانی که ساعدتون رو خم و راست میکنین.
توضیح عمومی حرکت زاویه ای شامل اینه که بدن چقدرمیچرخه، با چه سرعتی و همچنین دوره های کاهش یا افزایش سرعت، در زمانی که داره میچرخه رو توضیح میده. این عبارت برای توضیح حرکت زاویه ای، مشابه کینه ماتیک خطیه، اما این یکی مربوط به زاویه هاست.

• مسافت زاویه ای یا جابجایی زاویه ای توضیح میده که بدن چقدر میتونه بچرخه. مثل کینه ماتیک خطی، مسافت زاویه ای یعنی بدن تا کجا میتونه بچرخه، در حالی که جابجائی خطی یعنی چقدر میتونه بچرخه، در یک جهت خاص.
• اسپید زاویه ای و سرعت زاویه ای هم یعنی بدن چقدر سریع میتونه بچرخه. دیگه تفاوتشون رو میتونید بگید.
• شتاب زاویه ای هم برای توضیح تغییر در سرعت زاویه ای بدن ه که میشه ازش به عنوان کاهنده یا افزاینده میزان چرخش یاد کرد.

برای چیزای مرتبط با کینه ماتیک زاویه ای، برید به فصل ۹.

دلیل حرکت با کینه تیک

کینه تیک (kinetics)، زیر شاخه مکانیک ه که روی نیروهایی که سبب حرکت بدن میشوند، متمرکز است. به طور ساده، یک نیرو، فشار یا کششی است که توسط یک بدن به بدن دیگری وارد میشه. اما نیرو را نمیشه دید، اما تاثیر نیرو روی بدن رو میشه دید. یک نیروی وارد شده میخواهد حرکت بدن را یاغیر دهد. میخواهد سرعت آنرا در جهاتی که نیرو وارد شده، کم یا زیاد کند. همونطوری که قبلا گفتم، سرعت دادن یا کاهش سرعت بدن، شتاب نام دارد.

اسحاق نیوتون، سه قانون را نام برد که به قوانین نیوتون مشهورند که رابطه علت-تاثیر را بین نیروی وارد شدو و حرکت تغییر یافته یا شتاب را توضیح میده. این سه قانون، شالوده استفاده کینه تیک برای آنالیز حرکت خطی و زاویه ای هستند. برای دونستن بیشتر قوانین نیوتون، فصل ۶ را بخونید.

کینه تیک خطی

کینه تیک خطی بررسی میکند که نیرو ها چگونه حرکت خطی یا انتقال بدن را تحت تاثیر قرار میدهد. ویژگی های نیرو شامل اندازه، جهت، نقطه اثر و خط عمل هستند. هر ویژگی، اثرنیروی روی بدن را تحت تاثیر قرار میدهد، و مشخص کردن ویژگی های هر نیروی انجام شده روی بدن، قدم مهمی در کینه تیک است. در فصل ۴، بهتون نشون میدم که چجوری ویژگی های نیرو رو شرح بدین و میگم که چی باعث میشه که جاذبه بکشه و اصطکاک، فشار بده.
بدن انسان حین حرکت، تحت تاثیر چند تا نیروی خارجیه. شتاب بدن از حاصل جمع تمامی نیروهایی هست که در یک زمان وارد میشن. توی فصل ۶، بهتون نشون میدم که چجوری حاصل جمع چند تا نیرو نشون دهنده نیرویی بدون تعادل یا بدون-مخالف هستن. بعدش توضیح میدم که نیوتون در مورد نیروی بدون تعادل چی میخواست بگه و چرا حرفی که زده، هنوز بعد از ۳۰۰ سال، مهمه.
از روی درک ساده نیروی بدون تعادل و تاثیرش روی بدن، میتونین رابطه ضربه-مومنتوم رو حساب کنید که مشخص میکنه چجوری یه نیروی بدون تعادل که توی یه دوره زمانی اعمال شده، سرعت بدن رو کم و زیاد میکنه.

کینه تیک زاویه ای
کینه تیک زاویه ای، علل حرکت زاویه ای یا چرخشی رو بررسی میکنه. اثرچرخشیِ نیرویی که روی بدن اعمال میشه، گشتاور (torque) نامیده میشه. گشتاور زمانی تولید میشه که یک نیرو، در فاصله از محور گردش، بر بدن اعمال میشه. مفهوم ساده گشتاور رو در فصل ۸ توضیح میدم و میگم که چجوری اثر چرخشی نیرو، تحت تاثیر اندازه نیرو یا فاصله گرفتن از محور قرار میگیره.
بعد از درک ساده گشتاور، میگم که ماهیچه، چجوری به عنوان تولید کننده گشتاور، روی بخش های متصل به همِِ بدنِ انسان، عمل میکنه. گشتاور تولید شده توسط ماهیچه با گشتاور تولید شده با بارهای خارجی، ارتباط برقرار میکنه تا حرکت بخش ها رو ایجاد، کنترل یا متوقف کنه.
قوانین نیوتون، این امکان رو فراهم میکنن تا حرکت همه چیز رو توضیح یا بیش بینی کنیم. با استفاده از روش نیوتونی برای آنالیز حرکت، ما بوسیله رابطه علت-اثر بین نیروهای اعمالی و حرکت بدن استفاده میکنیم. همیشه.