شگفتی‌های مهندسی و دنیای علم

بسیاری از اتفاقات در طبیعت یا در دنیای فناوری آنطور که ما پیش‌بینی می‌کنیم رخ نمی‌دهند. مثلا می‌دانستید دمای داخل موتور جت هواپیما بالاتر از نقطه ذوب تیغه‌های توربین موتور جت است، اما ساختار مهندسی آن به‌‌ گونه‌ای است که این موتور می‌تواند به‌خوبی کار کند و ذوب نشود؟!

به گزارش «تابناک» به نقل از جام جم از unbelievable ــ facts.com، مهندسی، شاخه‌ای شگفت‌انگیز از علم است که امکان تجزیه و تحلیل، طراحی و ساخت ابزارهایی مفید، جالب و شگفت‌انگیز را فراهم می‌کند.

در هر ابزاری، از اسباب‌بازی‌های کودکان گرفته تا فضاپیماهای بزرگ و مریخ‌نوردها می‌توان رد پایی از مهندسی را یافت. اصولا هر چیزی که سرگرم‌کننده و هیجان‌انگیز باشد، به احتمال فراوان یک مفهوم مهندسی در آن به کار رفته است اما همه این مفاهیم به اندازه قانون سوم حرکت نیوتن واضح و سرراست نیست.

بعضی از آنها آنقدر گیج کننده‌اند که به سختی می‌توان باورشان کرد. در ادامه به مفاهیمی از این دست پرداخته‌ایم.

یک موشک می‌تواند فضانوردان را در کمتر از ده دقیقه به فضا منتقل کند، اما متصل شدنش به ایستگاه فضایی بین‌المللی ساعت‌ها و حتی روزها طول می‌کشد.

ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) با سرعتی برابر 27هزار و 576 کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است. در روی زمین، حتی سریع‌ترین هواپیماها فقط می‌توانند با سرعتی حدود 2550 کیلومتر بر ساعت حرکت کنند. رسیدن به شیئی با سرعت ایستگاه فضایی بین‌المللی یک شاهکار مهندسی باورنکردنی است.

سفینه فضایی یا موشک ارسال شده به ایستگاه فضایی بین‌المللی باید به همان ارتفاع برسد و همان سرعت را پیدا کند که مسلما کار بسیار دشواری است.

به این منظور فضانوردان به جای تعقیب ایستگاه فضایی بین‌المللی، اجازه می‌دهند ایستگاه فضاپیما را تعقیب کند. ممکن است ساده به نظر برسد، اما روند بسیار پیچیده‌ای است. سفینه فضایی که با سرعتی اعجاب‌آور حرکت می‌کند، طی چند دقیقه جو زمین را ترک کرده و ابتدا در مداری بیضی شکل به دور زمین قرار می‌گیرد که پایین‌تر از مدار ایستگاه فضایی بین‌المللی است.

در مرحله بعد فضانوردان در فرآیندی به نام «انتقال هومان» سفینه فضایی را در مدار گردی با ارتفاع بالاتر و در نهایت در مکانی درست قرار می‌دهند. در طول این مدت سفینه فضایی هر 86 دقیقه یک‌بار به دور زمین می‌چرخد، یعنی چهار دقیقه سریع‌تر از ایستگاه فضایی بین‌المللی. این تفاوت کوچک در زمان‌بندی، نکته‌ای کلیدی در رسیدن سفینه به ایستگاه فضایی بین‌المللی است. در مرحله نهایی، طی دومین انتقال هومان، سفینه، ایستگاه فضایی بین‌المللی را پشت سر می‌گذارد و در مدار ایستگاه فضایی و مقابل آن قرار می‌گیرد. سپس فضانوردان سرعت سفینه را کاهش می‌دهند تا ایستگاه فضایی بتواند به آن برسد. با کنار هم گرفتن سفینه و ایستگاه فضایی بین‌المللی ماموریت پایان می‌یابد. تکمیل این فرآیند ممکن است از چند ساعت تا چند روز طول بکشد.

ارسال سفینه فضایی به خورشید مشکل‌تر از خارج شدن آن از منظومه شمسی است! زیرا سفینه پرتاب شده باید تقریبا به سرعتی برابر با سرعت زمین و در جهت مخالف آن برسد.

تصور عمومی بر این است که به کمک نیروی جاذبه قوی خورشید ما می‌توانیم یک سفینه فضایی را به‌راحتی روی آن فرود بیاوریم، اما این کار آنقدرها هم آسان نیست. برای این‌که یک سفینه فضایی به سمت خورشید پرتاب شود باید به سرعتی برسد که تقریبا با سرعت زمین برابری کند و در عین حال حرکتش در جهت مخالف حرکت زمین باشد. فقط در این شرایط سفینه می‌تواند تسلیم جاذبه خورشید شود و شروع به فرود آمدن روی آن کند. با فناوری‌های موشکی موجود ما نمی‌توانیم به چنین شاهکاری دست پیدا کنیم. با این حال ناسا چندی پیش گام اول را در این زمینه برداشت و در 21 مرداد 97 کاوشگر خورشیدی پارکر را با هدف رسیدن به خورشید پرتاب کرد. این کاوشگر تاکنون سه بار در مواجهه با خورشید قرار گرفته است. این درحالی است که تا به حال، دو سفینه اکتشافی ویجر1 و ویجر2 موفق شده‌اند از منظومه شمسی خارج شوند.

اگر هنگام رعد و برق داخل خودرو باشید، تایرهای لاستیکی شما را از خطر محافظت نمی‌کنند. بلکه عامل محافظ شما، بدنه فلزی خودرو است.

این‌که تایرهای لاستیکی، خودرو و سرنشینان آن را مقابل برخورد صاعقه محافظت می‌کنند، باور رایج، اما نادرستی است. این‌که لاستیک‌ها به این دلیل که عایق خوبی هستند جریان الکتریسیته ناشی از رعد و برق را منتقل نمی‌کنند، کاملا غیرمنطقی نیست. اما لاستیک نمی‌تواند جریان قوی الکتریسیته ناشی از رعد و برق را متوقف کند. درواقع چیزی که شما را نجات می‌دهد نه لاستیک‌ها، بلکه بدنه فلزی خودروست. سقف و بدنه فلزی هنگام برخورد صاعقه مانند قفس فارادی عمل می‌کند. مایکل فارادی، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی در کار روی الکتریسیته ساکن، نشان داد که بار تنها روی سطح خارجی یک هادی باردار قرار می‌گیرد و بار روی سطح خارجی، روی چیزی که داخل هادی قرار دارد، هیچ اثری نمی‌گذارد. طبق این قانون، بار الکتریکی ناشی از رعد و برق از بدنه فلزی عبور کرده و درون زمین ناپدید می‌شود. بنابراین نکته مهم این است که هنگام رعد و برق به در خودرو تکیه ندهید و هیچ قسمت فلزی دیگری از بدنه آن را لمس نکنید.

باز گذاشتن در یخچال باعث سردتر شدن محیط بیرون آن نمی‌شود، بلکه فضای بیرون را گرم‌تر می‌کند.

حتما برایتان پیش آمده که کودکی از شما بپرسد چرا برای خنک شدن اتاق به جای روشن کردن کولر در یخچال را باز نمی‌گذارید؟! احتمالا پاسخ خوبی برایش نداشته‌اید و به این جمله کلیشه‌ای بسنده کرده‌اید که «یخچال برق بیشتری از کولر مصرف می‌کند!» و به این ترتیب سر و ته ماجرا را هم آورده‌اید!
اما واقعیت این است که برخلاف تصور ما یخچال سرما تولید نمی‌کند. یخچال درواقع نوعی موتور گرمایی معکوس است. کاری که این موتور می‌کند، این است که گرما را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل کند. وقتی ما غذا را داخل یخچال قرار می‌دهیم، دما افزایش پیدا کرده و یخچال شروع به سردکردن خودش می‌کند و گرمای حاصل از سردشدن یخچال در اتاق رها می‌شود. بنابراین یخچال حتی وقتی درش بسته است، اتاق را گرم می‌کند. وقتی درِ یخچال را باز می‌کنیم، هوای سرد داخل آن بلافاصله بیرون می‌آید و دما را کمی پایین می‌آورد. اما از آنجا که گرمای داخل یخچال افزایش می‌یابد، یخچال انرژی بیشتری را به شکل الکتریسیته مصرف می‌کند. بعد از مدتی میزان گرمای منتقل شده از سیم‌پیچ‌های خنک‌کننده یخچال به اتاق، از گرمای گرفته شده از داخل یخچال بیشتر می‌شود و ما در نهایت اتاق گرم‌تری خواهیم داشت. اگر از خودتان می‌پرسید دستگاه تهویه مطبوع چطور هوای خانه را خنک می‌کند، توجه داشته باشید همیشه بخشی از دستگاه در خارج از خانه نصب می‌شود. این قسمت که دارای سیستم خنک‌کننده است، گرما را از داخل سیستم تهویه گرفته و آن را در خارج از منزل آزاد می‌کند.

نیروی گرانش در فضا وجود دارد، اما فضانوردان به‌دلیل این‌که سرعتی به اندازه سفینه فضایی دارند، احساس بی‌وزنی می‌کنند.

دیدن صحنه‌هایی از بی‌وزنی و شناوربودن فضانوردان در سفینه‌های فضایی این تصور را ایجاد می‌کند که در فضا نیروی جاذبه وجود ندارد. اما واقعیت این است که نیروی گرانش در همه‌جا از جمله در فضا وجود دارد. هر شیئی مقداری نیروی جاذبه - کم یا زیاد - بر دیگر اشیا وارد می‌کند. فضانوردان داخل سفینه فضایی یا ایستگاه فضایی بین‌المللی به دلیل سرعتی که دارند، شناور به‌نظر می‌رسند. اما در این سناریوها نیز قطعا نیروی جاذبه وجود دارد. جاذبه زمین است که ایستگاه فضایی را در مدار نگه داشته است. تاثیر جاذبه زمین به حدی است که ایستگاه فضایی بین‌المللی درواقع به سمت زمین سقوط می‌کند. وقتی ایستگاه فضایی به سمت زمین سرعت می‌گیرد، زمین در زیر آن می‌پیچد و ایستگاه به‌جای این‌که به زمین بیفتد، در مدار زمین می‌چرخد. فضانوردان داخل ایستگاه فضایی بین‌المللی نیز سرعتی برابر با سرعت ایستگاه فضایی دارند. به همین دلیل احساس بی‌وزنی می‌کنند. اگر همچنان فکر می‌کنید که بی‌وزنی فقط در شرایط صفربودن نیروی جاذبه اتفاق می‌افتد در اشتباه هستید، زیرا حتی در روی زمین هم می‌توانید بی‌وزنی را به طور موقت تجربه کنید. به عنوان مثال در شهربازی هنگام پایین‌آمدن ترن هوایی از ارتفاع بالا می‌توان این حس را تجربه کرد. یا اگر سیم آسانسوری که در بالاترین طبقه یک ساختمان قرار دارد، ناگهان کنده شود افراد داخل آن لحظاتی بی‌وزنی را تجربه خواهند کرد. هر چند توصیه نمی‌کنیم این کار بسیار خطرناک را به هیچ وجه تجربه کنید!

در دمای یکسان، یک قطعه آهنی سردتر از یک قطعه چوبی احساس می‌شود. اما دمای قطعه آهنی واقعا پایین‌تر نیست، بلکه این اختلاف دما ناشی از تفاوت در رسانش گرمایی دو ماده است.

فلزات، رسانش گرمایی بهتری نسبت به غیرفلزات دارند و آسان‌تر می‌توانند گرما را جذب یا منتقل کنند. به همین دلیل وقتی کنار یک شیء سردتر قرار می‌گیرند، به‌راحتی گرما را به آن منتقل می‌کنند و وقتی کنار شیء گرم‌تر قرار می‌گیرند از آن گرما جذب می‌کنند و این انتقال دما بسیار سریع صورت می‌گیرد. وقتی دست ما یک فلز را لمس می‌کند انتقال گرما از دست به فلز به سرعت اتفاق می‌افتد و پایانه‌های عصبی دست، این تفاوت دمایی را احساس می‌کند، اما مواد غیرفلزی مثل پلاستیک و چوب، عایق گرمایی هستند و گرما را به آسانی منتقل نمی‌کنند. از نمونه‌های این پدیده در زندگی روزمره، سردتر احساس شدن کاشی و گرم‌تر بودن فرش در تماس با پاست. نمونه دیگر زمانی است که کیک را از فر بیرون می‌آورید. شما می‌توانید کیک را لمس کنید، اما قادر به لمس کردن ظرف فلزی آن نیستند؛ هرچند دمای ظرف با کیک یکی است!