ارائه‌دهنده: محمدحسین توسلی (ورودی ۹۸ کارشناسی فیزیک)

۱. آیا در دستگاه لخت، شاره در یک سرنگ (پیستون با دو سطح مقطع متفاوت) برای حرکت با سرعت ثابت، به نیرو نیاز دارد؟ (با فرض اینکه شاره هیچ چسبندگی به سرنگ ندارد و جریان کاملاً پایا است،  هم‌چنین در پیستون اصطکاک وجود ندارد و از فشار هوا صرف نظر می‌شود.)

با توجه به قانون اول نیوتن می‌دانیم اگر به یک جسم در حال حرکت با سرعت ثابت، نیرویی وارد نشود، جسم با همان سرعت به حرکت خود ادامه می‌دهد. با این حال ثابت ماندن سرعت شاره در یک پیستون نیازمند نیرو است. چرا که از اصل برنولی داریم: A_۲V_۲=A_۱V_۱ . پس در یک دستگاه لخت با مفروضات سؤال، سرعت شاره در دو انتهای پیستون متفاوت خواهد بود. در نتیجه تغییر تکانه رخ داده‌است. از قانون دوم نیوتن می‌دانیم تغییرات تکانه در واحد زمان معادل نیرو است. پس برای ثابت‌بودن حرکت شاره در پیستون باید مقداری نیرو، صرف شود و جهت این نیرو باید از سطح مقطع بیش‌تر به سطح مقطع کم‌تر باشد.
هم‌چنین می‌توان اندازه‌ی نیرو را با فرض‌های مختلف (وجود اتمسفر یا خلأ و…) محاسبه کرد.

۲. اگر یک نی را درون لیوان پر از آب قرار دهیم، برای مکیدن آب نیروی بیش‌تری نیاز است یا فوت‌کردن در نی؟

(با فرض اینکه آب با سرعت ثابت در نی حرکت می‌کند و از نقش گرانش صرف نظر می‌کنیم) 

پاسخ شهودی:

مکیدن سخت‌تر است، چرا که در حالت مکش، آب از تمام جهات، به ‌سمت انتهای نی شروع به حرکت می‌کند و تراکم زیادی شکل می‌گیرد. در حالی که در فوت‌کردن، آبی که از نی وارد آب می‌شود، نسبتاً جهت خود را حفظ می‌کند و تراکم کم‌تری در آن رخ می‌دهد. مطابق با اصل برنولی در تراکم بیش‌تر، تغییر بیش‌تری در اندازه سرعت مشاهده می‌شود. در واقع تغییر تکانه بیش‌تری در واحد زمان رخ می‌دهد که معادل بیشتر بودن نیروی مورد نیاز است.

با این حساب برای مکیدن آب با استفاده از نی، نیروی بیش‌تری صرف می‌شود.

۳. آیا عمل فوت‌کردن در شاره با استفاده از نی، عملی برگشت‌پذیر است؟ 

یک فرآیند برگشت‌پذیر، فرآیندی است که معادلات مربوط به آن تحت تغییر علامت زمان ناوردا باشد. پس اگر فرایند برعکس شود، هم‌چنان معادلات دینامیکی فرایند اولیه باید ارضا شود. پس پاسخ سوال این بخش، معادل پاسخ سوال زیر است:

 اگر در یک لیوان آب، با استفاده از یک نی فوت کنیم و از این پدیده فیلم بگیریم، سپس ویدئو را معکوس کنیم، آیا ویدئو حاصل، عمل مکیدن آب با استفاده از نی را نشان می‌دهد؟ با بررسی های انجام شده و انجام آزمایش، مشخص می‌شود جواب این سوال منفی می‌باشد. پس می‌توان نتیجه گرفت عمل فوت‌کردن در شاره با استفاده از نی، عملی برگشت‌پذیر نمی‌باشد.

حلقه‌ی چای و فیزیک ۲۵ مهرماه ۱۳۹۹