۴ اشتباه رایج علمی که در مطالعه‌ی فیزیک با آن روبه‌رو می‌شویم

با فرارسیدن سال تحصیلی جدید دانش‌آموزان و دانشجویان در مقاطع مختلف تحصیلی به مطالعه‌ی علوم مختلفی همچون فیزیک، ریاضی، شیمی و ... می‌پردازند؛ در این میان برخی اشتباهات ساده اما متداول موجب ایجاد اختلال در درک مسائل و پدیده‌های مختلف علمی می‌شوند؛ این اشتباهات برای کسانی که اولین بار با موضوعات علمی روبه‌رو می‌شوند، کاملا مشهود است. در ادامه به بررسی برخی از این اشتباهات که در علم فیزیک با آن‌ها روبه‌رو می‌شویم، می‌پردازیم.

هنگامی که نیرویی ثابت به یک جسم وارد می‌شود، چه اتفاقی می‌افتد؟ اکثر دانش‌آموزان در پاسخ به این سوال می‌گویند که نیروی ثابت وارد شده به جسم باعث خواهد شد تا جسم با سرعت ثابت حرکت کند؛ که پاسخ اشتباهی است.

تصور کنید که در خانه هستید و قصد دارید تا تخت‌خواب خود را جابجا کنید؛ برای این کار شما به تخت‌خواب فشار وارد می‌کنید و آن را در طول اتاق حرکت می‌دهید. اگر شما بخواهید که با بیشترین سرعت ممکن تخت خود را جابجا کنید، در هنگام فشار دادن وسیله نیروی بسیار بیشتری را وارد خواهید کرد؛ با این کار بنظر می‌رسد که وارد کردن نیروی بیشتر باعث افزایش سرعت وسیله می‌شود و هرچه این نیرو بیشتر باشد، سرعت بیشتری نیز خواهید داشت.

اما این تصور درست نیست. در این مساله دو مشکل وجود دارد:

• نیروی فشاری شما تنها نیروی وارد شده به تخت‌خواب نیست؛ نیروی جاذبه در جهت پایین و کف اتاق به سمت بالا به تخت‌خواب شما نیرو وارد می‌کنند. این دو نیرو به صورت نسبی مقدار کمی دارند؛ اما نیروی دیگری نیز به تخت‌خواب وارد می‌شود که اهمیت زیادی دارد؛ این نیرو، نیروی اصطکاک است. نیروی اصطکاک، نیرویی است که در خلاف جهت حرکت تخت‌خواب به آن وارد می‌شود که در نتیجه مجموع نیروهای وارد شده به تخت‌خواب به صفر نزدیک می‌شود. نیروی کل صفر به معنای این است که هیچ تغییری در سرعت جسم ایجاد نمی‌شود و چون شما تنها نیروی فشاری وارد شده به تخت‌خواب را در نظر می‌گیرید، این‌طور به نظر می‌رسد که نیروی فشاری ثابت عامل حرکت جسم با سرعت ثابت است.
• مساله دوم تغییرات سرعت است. نیروی اصطکاک به‌طور تقریبی مقدار ثابتی دارد و مستقل از سرعت جابجایی تخت‌خواب است. اگر شما نیروی بیشتری را به تخت‌خواب وارد کنید، مجموع نیروهای وارد شده به جسم دیگر صفر نیست و سرعت حرکت جسم افزایش می‌یابد؛ اما بعد از طی کردن مسافتی کوتاه، بدن انسان به سختی خواهد توانست تا تغییرات سرعت را از سرعت بالا تشخیص دهد. برای درک بهتر این موضوع توپی را از ارتفاعی رها کنید. بدن شما تنها سرعت بالای توپ را خواهد دید ولی قادر به تشخیص تغییرات سرعت نیست.

ممکن است بگویید که این موضوع یک مشکل فیزیکی نیست و به ریاضیات مرتبط است؛ با این حال، بردارها در مقدمات فیزیک به قدری اهمیت بالایی دارند که اگر شما از آن‌ها به درستی استفاده نکنید، با مشکل روبه‌رو می‌شوید. به عنوان مثالی برای نمایش این مشکلات به کاشی‌های مربع شکل کف ساختمان‌ها توجه کنید. فرض کنید این کاشی‌ها اضلاعی ۳۰ سانتی‌متری داشته باشند؛ حال اگر ما ابتدا به تعداد ۳ کاشی حرکت کنیم سپس به تعداد ۲ کاشی دیگر حرکت کنیم، چه مسافتی را طی کرده‌ایم؟ آیا در مجموع مسافتی معادل ۵ کاشی را طی کرده‌ایم؟ یکی از پاسخ‌های ممکن به این سوال این است؛ اما ممکن در پاسخ به این سوال بگویید که ما به مقدار یک کاشی جابجا شده‌ایم؛ این پاسخ نیز در صورتی که ما ۳ کاشی به جلو و ۲ کاشی به عقب بازگردیم، پاسخ درستی است.

حال اگر به تعداد ۳ کاشی حرکت کنیم سپس ۹۰ درجه چرخیده و ۲ کاشی جلو رویم، چه مسافتی را طی کرده‌ایم؟ پاسخ شما احتمالاً بین ۱ تا ۵ متغیر خواهد بود. این تفاوت جواب‌ها به دلیل جابجایی برداری مسئله است؛ به این معنا که در جابجایی برداری علاوه بر مقدار جابجایی، جهت جابجایی نیز اهمیت دارد. جابجایی یک بردار است و شما در محاسبات خود باید از قواعد جمع برداری استفاده کنید. نیرو، شتاب و سرعت نیز به صورت برداری هستند؛ در نتیجه علاوه بر مقدار به جهت آن‌ها نیز توجه کنید.

علاوه بر مبحث نیروها که در مورد آن صحبت کردیم، در حوزه‌ی انرژی نیز تغییرات، اهمیت زیادی دارد. برای درک بهتر این موضوع نگاهی به قانون کار و انرژی می‌اندازیم؛ این قانون بیان می‌کند که کار انجام شده در یک سیستم برابر با تغییرات انرژی کل سیستم است؛ کار در نتیجه‌ی نیرو و جابجایی به وجود می‌آید؛ اما بیایید نگاهی به انرژی بیاندازیم.

فرض کنید توپی با جرم ۱ کیلوگرم دارید و آن را در فاصله‌ی ۲ متری از سطح اتاق قرار داده‌اید؛ اگر این توپ در حال سکون رها شود، در فاصله‌ی ۱ متری سطح اتاق چه سرعتی خواهد داشت؟ یکی از روش‌های معمول پاسخ به این سوال محاسبه‌ی انرژی پتانسیل جسم است که راه حل مناسبی است و به جواب درست نیز خواهد رسید؛ اما انرژی پتانسیل اهمیت چندانی ندارد؛ این تغییرات انرژی پتانسیل است که اهمیت دارد.

رابطه‌ی انرژی پتانسیل را در نظر بگیرید:U=mgh (m جرم جسم، g شتاب جاذبه و h ارتفاع جسم است)؛ اما ارتفاع جسم نسبت به چه معیاری سنجیده می‌شود؟ از سطح اتاق؟ در واقع، مرجع سنجش ارتفاع اهمیت چندانی ندارد. شما می‌توانید ارتفاع توپ را نسبت به هر موقعیتی در نظر بگیرید. عاملی که در محاسبه‌ی سرعت جسم در ۱ متری سطح اتاق اهمیت دارد، تغییرات انرژی پتانسیل است که در قانون کار و انرژی خود را نشان می‌دهد.

بله، همه‌ی ما از این موضوع آگاهی داریم که نمودارها با تصاویر دیگر متفاوت‌اند اما این موضوع همچنان مشکل‌ساز است. به نمودار زیر که جابجایی یک جسم را نسبت به زمان نشان می‌دهد نگاه کنید. برای توضیح چگونگی حرکت جسم، چه خواهید گفت؟ ممکن است در پاسخ بگویید که این یک خودرو است که در ابتدا سرعت خود را افزایش می‌دهد، سپس برای مدتی با سرعت ثابت حرکت می‌کند و در نهایت سرعت خود را کاهش می‌دهد که پاسخی اشتباه است.

بهترین راه برای فکر کردن به یک نمودار در نظر گرفتن آن به عنوان مجموعه‌ای از نقاط است؛ زیرا ماهیت نمودارها نیز همین است. اولین نقطه را در زمان t=0 در مکان x=1 قرار می‌دهیم که موقعیت جسم در ابتدای حرکت را نشان می‌دهد. اندکی بعد موقعیت x با شیب ثابتی افزایش می‌یابد. این پدیده به معنای است است که جسمبا سرعت ثابت در حال حرکت است. در ابتدای بخش هموار نمودار موقعیت x تغییر نمی‌کند که نشان می‌دهد سرعت جسم در این بازه‌ی زمانی صفر است. در نهایت موقعیت x با شیب منفی کاهش می‌یابد که به معنای سرعت منفی جسم در راستای بردار x است.دیدید که دو پاسخ ارائه شده متفاوت هستند؛ در نتیجه در تفسیر نمودارها به ماهیت نقطه‌ای آن‌ها توجه کنید.

موارد مطرح شده تنها برخی از اشتباهات رایج در مقدمات فیزیک است. به‌خاطر داشته باشید که اشتباه کردن در چنین مواردی ایراد ندارد؛ مشکل اصلی زمانی است که به چنین اشتباهاتی ادامه دهید. اساس یادگیری برمبنای اشتباه و اصلاح آن است و اصلاح اشتباهات تنها با تمرین کردن میسر است.