معمای چرخ گاری

حتما تاکنون حرکت چرخهای یک اتومبیل را دیده‌اید. ولی آیا تا به حال فکر کرده‌اید که آیا ممکن است یک قسمت از چرخ سریعتر از قسمتهای دیگر حرکت کند؟شاید پاسخ دهید، چرخ اتومبیل یک …

حتما تاکنون حرکت چرخهای یک اتومبیل را دیده‌اید. ولی آیا تا به حال فکر کرده‌اید که آیا ممکن است یک قسمت از چرخ سریعتر از قسمتهای دیگر حرکت کند؟شاید پاسخ دهید، چرخ اتومبیل یک جسم یکپارچه است پس چگونه چنین امری می‌تواند امکانپذیر باشد، ولی این امر واقعا امکانپذیر است.

یک آزمایش

یک تکه کاغذ رنگی از پهلو به چنبر چرخ گاری (یا به لاستیک رویی چرخ اتومبیل یا دوچرخه) بچسبانید و وقتی گاری (یا دوچرخه) حرکت می کند به کاغذ نگاه منید پدیده عجیبی خواهید دید. وقتی کاغذ در قست پایین چرخ متحرک قرار دارد خیلی واضح و خوب دیده می شود، اما هنگامی که در قسمت بالای چرخ فشار می گیرد با چنان سرعتی حرکت می‌کند که شما حتی نمی توانید آن را ببینید.

چنین بر می‌آید که گویا قسمت بالایی چرخ از قسمت پایین آن سریعتر حرکت می‌کند. اگر پره‌های بالایی و پایینی چرخ یک گاری در حال حرکت را باهم مقایسه کنیم. همین پدیده را مشاهده خواهیم کرد. دیده می‌شود که پره‌های بالایی بهم چسبیده و به صورت واحد یکپارچه‌ای در آمده‌اند، در صورتی که پره‌هایی پایین را جدا از یکدیگر مشاهده می‌کنیم. باز هم پدیده طوری صورت می‌گیرد که گویا قسمت بالایی چرخ از قسمت پایین آن سریعتر حرکت می‌کند.

حقیقت چیست؟

خیلی ساده است. قسمت بالایی چرخ گاری در حال حرکت ، واقعا از قسمت پایین آن سریعتر حرکت می‌کند. این واقعیت در نگاه اول باور نکردنی به نظر می‌رسد، در صورتیکه با کمی تفکر می‌توان صحت آن را دریافت. هر نقطه چرخ یک گاری در حال حرکت در آن واحد دو حرکت انجام می‌دهد، به دور محور می‌چرخد و در عین حال یک حرکت رو به جلو نسبت به سطح زمین دارد. این دو حرکت با هم ترکیب می‌شوند.

فرض کنید چرخ از راست به چپ حرکت می‌کند. نقطه بالایی چرخ یک حرکت از راست به چپ حول محور خود دارد در حالیکه نقطه پایینی از چپ به راست حول محور خود حرکت می‌کند. پس در نقطه بالایی حرکت دورانی چرخ با حرکت رو به جلو آن جمع می‌شود، زیرا هر دو در یک جهت‌اند. اما در نقطه پایین آیند و حرکت از هم کم می‌شوند چون در خلاف جهت یکدیگرند به این دلیل است که قسمتهای بالایی چرخ از قسمت پایین آن نسبت به یک ناظر ساکن سریعتر حرکت می‌کند.

کند حرکت‌ترین قسمت چرخ

به آسانی می‌توان فهمید که نقاطی از چرخ که در یک لحظه معین با زمین تماس دارند، از همه نقاط دیگر آن کند‌تر حرکت می‌کنند. اگر دقیق‌تر بگوییم، این نقاط در لحظه تماس با زمین کاملا بی‌حرکت هستند. چون دو سرعت حرکت رو به جلو و حرکت به دور محور کاملا برابر و خلاف جهت هستند. البته تمام آنچه گفته شد فقط درباره چرخی که روی زمین می‌غلتد، صادق است نه درباره چرخی که بدون تغییر مکان به دور محور خود می‌چرخد. چون در این حالت حرکت انتقالی رو به جلویی وجود ندارد تا با سرعت حرکت به دور محور جمع یا کم شود. در این مورد (چرخش بدون تغییر مکان) تمام نقط سرعت یکساننی دارند.