سؤال/ الطرد المركزي

[ابو البرد]

ماذا يمكننا ان نعرف عن الطرد المركزي وقوانينه ؟ سؤال للفيزيائيين والفيزيائيات

[إبراهيم سمير]

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته ،

أهلا بك أخي الكريم ..:. أبو البرد .:.

حاولت البحث لك عما تريد ، و هذا ما حصلت عليه بخصوص ما ذكرت :


التخصيب بالطرد المركزي


http://www.islamonline.net/arabic/science/2006/02/images/pic08a.jpg

جهاز الطرد المركزي


يأخذ التخصيب بالطرد المركزي عدة خطوات، أولها يحّول خلالها اليورانيوم الطبيعي إلى غاز في شكل اليورانيوم سداسي الفلور؛ ولأن فرق الكتلة بين جزيئات غاز النظيرين بسيط، يتم تخصيب اليورانيوم في خطوات متتالية، في كل خطوة يتم زيادة نسبة اليورانيوم235 حتى الوصول للنسبة المطلوبة.

ويتكون جهاز الطرد المركزي من غلاف أسطواني مفرغ من الهواء يدور بداخلة أسطوانة بسرعة كبيرة، هذه الأسطوانة تدور تقريبا بدون أي نوع من الاحتكاك بواسطة محرك كهربائي من أسفل، ومغناطيس قوي من أعلى. بعد ذلك يدخل غاز اليورانيوم الطبيعي هذه الأسطوانة ويأخذ سرعة دورانها.

http://www.islamonline.net/arabic/science/2006/02/images/pic08b.jpg

تتابع أجهزة الطرد المركزي


يتحرك الغاز في اتجاهين، الثقيل بتركيز أكبر ليورانيوم238 يدفع إلى الخارج في اتجاه جدار الأسطوانة، والخفيف بتركيز أقل ليورانيوم235 يبقى في مركز الأسطوانة. وبعمل فارق حراري على الأسطوانة يمكن فصل الغازين في اتجاه قمة وقاع الأسطوانة، حيث يتم امتصاصهما عن طريق أنابيب موصلة بالخطوة التالية للتخصيب.

وتوصل أسطوانات الطرد المركزي بالتوالي والتوازي مع بعضها البعض، حتى تصل درجة تركيز يورانيوم235 للدرجة المطلوبة، ويصل عدد تلك الأسطوانات إلى مئات عدة، توضع داخل ما يسمى محطة الطرد المركزي.

[line]

قوة الطرد المركزية :

هي قوة فيزيائية تظهر خلال حركة الأجسام بشكل دائري أو منحني بسبب ميلان الأجسام للبقاء في حالة اتزان . وقد تكون من أهم القوى الكونية وذلك لتدخلها في اغلب المكونات المادية له , فتظهر هذه القوة جلية في الذرات من خلال حفاظها على الالكترونات في مداراتها حول النواة , والنتوء الاستوائي للأرض لها دور كبير فيه ، كما تحافظ على القمر في مداره حول الأرض وتحول دون سقوطه فيها بسبب الجاذبية , كما أنها تساعد في الحفاظ على مكونات المجرة من نجوم ومنظومات منتشرة بشكل ثابت دون أن تتجمع في قلبها , والكثير الكثير من الظواهر الفيزيائية التي تلعب فيها دورا أساسيا .
وكلنا نتعرض لتأثيرات قوة الطرد المركزية ، فنواجهه على سبيل المثال عندما ركوب السيارة وأخذ انحناء فإننا نشعر بالقوة التي تدفعنا إلى خارج المنحنى . كذلك إذا وضعت نظارة شمسية على المقعد بجانبنا فلن نتفاجأ عند أخذ انحناء حادّ في السرعة ، ونشاهد تلك النظارة قد انزلقت على المقعد .

http://www.0zz0.com/2005/09/07/76570870.gif

قوة الطرد المركزية أحيانا تسمى بالقوة 'الخيالية'، لأنها لحظية فقط ولجسم متسارع ( كما كان معروف سابقا ) ولا توجد في إطار مستقر ( حيث جسم يتحرّك في خط مستقيم وبسرعة ثابتة ) . لكن نظرية آينشتاين العامّة للنسبية تسمح للمراقب حتى في الإطار غير المستقر لاعتباره في حالة سكون ، والقوى المحسوسة تكون حقيقية . قوة الطرد المركزية ليست خيالية، إنما هي قوة حقيقية .
تظهر قوة الطرد المركزية بسبب خاصية الكتلة المعروفة بالقصور الذاتي - وهي ميل جسم ما لعدم تغيير سرعته أو اتجاهه . أي أن الجسم الساكن سيبقى على سكونه حتى تجعله قوة خارجية يتحرّك ، وبعد ذلك سيواصل التحرّك في نفس السرعة وفي نفس الاتجاه ما لم تغيّر قوة خارجية الطريق الذي هو يتحرّك فيه . وهنا ملخّص لقوانين نيوتن الثلاث للحركة .

الأول . كلّ جسم يميل إلى البقاء على حالة من السكون أو الحركة المنتظمة ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تجبره على تغيير ذلك . (وهذا أحيانا يسمى باسم قانون القصور الذاتي )

الثّاني. إنّ العلاقة بين كتلة جسم m ، وتسارعه a، والقوة المؤثرة عليه F هي F = m.a

الثّالث. لكلّ فعل هناك ردّ فعل مساوي في المقدار ومعاكس في الاتجاه .

من الممكن معرفة المقصود بقوة الطرد المركزية من خلال المثال التالي . لنتخيّل بأنّ رائد فضاء على متن سفينة فضائية ليس لها نوافذ ، ونحن نتحكم بسفينة الفضاء و على اتصال مع الرائد . نطلب من الرائد إبداء ملاحظاته عندما تكون السفينة الفضائية مرة تتحرّك ومرة أخرى ساكنة . نبدأ تجربتنا بالسفينة أثناء سكونها ونسأل الرائد هل هي تتحرك ؟ . يجيب بأنّه في حالة انعدام الجاذبية حول السفينة وانه غير قادر على اكتشاف أيّ شعور الحركة ، ويستنتج بأنّه يجب أن يكون في حالة سكون . ثمّ نطلق المحرّك ليتسارع خلال الفضاء ، ويستمر التسارع ويزداد ، ونسأله ثانية إذا كانت السفينة تتحرّك . فيجيبنا رائد فضاء وهو متأكّد بأنه يتسارع ، وذلك عندما يجبر على العودة خلف السفينة ، بسبب القصور الذاتي، وكلما زدنا التسارع تزداد قوة رجوعه للخلف . إذا فهو يسقط إلى الخلف السفينة كجسم يتأثر بجاذبية تسحبه إلى الخلف . إذا تحكمنا بالتسارع من خلال زيادة السرعة ، فإننا يمكن أن نكون قوة مساوية بالضبط إلى قوة الجاذبية ، وهنا يتعذر عليه تميزها عن الجاذبية الأرضية في جميع الجوانب . مهما جرّب رائد الفضاء من تجارب فسيكون من المستحيل عليه تمييز ما إذا كان منجذبا بسبب تسارع المركبة ، أو بسبب ثابت الجاذبية على سطح الأرض . هذه قاعدة نظرية آينشتاين العامّة للنسبية ، التي يستحيل فيها تمييز آثار التسارع من تأثيرات مجال جذبي منتظم . هذا المعروف ب' مبدأ المساواة '
نبدأ إبطاء سفينتنا الفضائية الآن ، ونسأل رائد فضائنا ثانية عن حالته من الحركة , فيجيب بأنّنا نتحرّك بالتأكيد ، كما أن التباطؤ المفاجئ جعله يرمى للأمام ويصطدم بالحاجز الأمامي .
بيّنت هذه التجربة بأنهّ إذا كانت السفينة تسير بسرعة ثابتة في اتجاه ثابت ( ذلك غير ممكن ) ، فإنها ليست تتحرك وإنما هي مستقره ومتزنة ، ولن يلاحظ تحركها إلا عندما تغيّر سرعتها ، أمّا بتسارع أو تباطؤ تصبح الحركة من خلاله ظاهرة .
فما الذي يحدث إذا غيّرنا الاتجاه بدلا من أن نغيّر السرعة ؟
. نحن نعود إلى سرعتنا التي نفرض أنها تساوي إلى 100,000 ميل بالساعة ونبقي على هذه السرعة والاتجاه ثابتتين ، وبسبب حالة انعدام الوزن فان رائد الفضاء غير قادر على اكتشاف أيّ حركة . وإذا جعلنا سفينتنا الفضائية الآن تتّجه بشدّة إلى اليمين وتأخذ المنحنى وبنفس السرعة ، ونسأل رائد الفضاء عن حرّكته إذا كان يتحرك . فانه يجيب بأنّه ينضغط بشدّة إلى الجانب اليسار للسفينة ، ويضيف بأنهّ كما يعرف بأنّ السفينة الفضائية لا تتحرك بشكل جانبي ولكنه ينجذب لليسار ، هو لا يمكن أن يتسارع في الاتجاه المعاكس للقوة ، لذا فانه يعتقد أنه يتّجه إلى اليمين .

إنّ المشكلة بأنّنا رأينا بأنّ قوة الطرد المركزية نتيجة القصور الذاتي ، هي مقاومة الجسم إلى تتغيّر في الاتجاه . عندما السفينة الفضائية اتجهت إلى اليمين رائد الفضاء حاول البقاء في الاتجاه الأصلي ، وهو مستقيم للأمام ، ولكنه أجبر إلى الجانب اليسار للسفينة .
وهذا مطابق تماما لقانون حركة نيوتن الأول . لكن لنعتبر حركة أخرى يمكن أن تقدّم استعمال السفينة الفضائية ، عندما نحاول تدورها حول محورها مثلا .
إذا دورنا سفينتنا الفضائية الآن حول محورها ، نعطيها دورة مثلا ، ماذا يحدث إلى رائد فضائنا ؟ هو ثانية سينضغط على جانب السفينة . السؤال كيف يضغط على جانب السفينة ؟ وماهي القوة التي ضغطته جانيبا والسفينة لا تتسارع ! ، ولم يتغيّر اتجاهها ، علما أن نسبة الدورة يمكن أن تبقى ثابتة ؟
الإجابة هي أن قوة الطرد المركزية ستبقي رائد فضائنا ملتصقا بشدة بجانب السفينة مهما استمرت في الدوران .
بالرغم من أنّها ليست قوة حقيقية طبقا لقوانين نيوتن ، ولكن مفهوم قوة الطرد المركزية مفيد ، لأنه يساعد على توضيح إحساس رائد الفضاء أثناء عملية دورانه بسفينة الفضاء .
وعلينا في البداية التفريق بين قوة الجذب المركزية وقوة الطرد المركزية , وكلاهما قوتان فيزيائيتان مستنتجتان من قانون نيوتن الثاني , ولكن الفرق هنا في تفسير معنى التسارع لكل من القوتين و حسب قانون نيوتن الثاني :

F = m . a

وبما أن الحركة دائرية فان التسارع المركزي بالنسبة لقوة الجذب المركزية هو :

a = v²/ r حيث أن v هي السرعة العادية للجسم المتحرك ( السرعة مستقيمة )

والتسارع الزاوي بالنسبة لقوة الطرد المركزية يختلف هنا بسبب اختلاف السرعة :

a = ω . r حيث أنω هي السرعة الزاوية للجسم المتحرك ( السرعة الدائرية ) وتساوي :

ω = v / r

وأخيرا فان القوة الطرد المركزية تساوي :

F = m . a = m . ω² . r

وقوة الجذب المركزية تساوي :

F = m . a = m . v² / r

فنلاحظ أن قوة الطرد المركزية يمكن أن تزداد بالزيادة أمّا سرعة الدوران ( السرعة الزاوية ω) ، او كتلة الجسم m ، أو نصف القطر r ، وهو المسافة بين الجسم المتحرك و مركز المنحنى .

http://www.0zz0.com/2005/09/07/855757947.gif

وندرس هنا العلاقة بين كتلة القمر والأرض على سبيل المثال فنجد أن القمر يدور حول الأرض باتزان واستقرار نسبي بسبب تساوي قوة الطرد المركزي الناتجة من دوران القمر حول الأرض مع قوة الجذب المركزي الناتجة من مادة الكتلة للقمر والأرض , فلو كانت كتلة القمر اكبر مما هي عليه الآن لتغلبت قوة الطرد المركزية على قوة الجذب ولأفلت القمر من قبضة الأرض بحيث يستمر في الابتعاد عن الأرض تدريجيا إلى أن ينطلق بسرعة قدرها v وبشكل مستقيم متوازن وعندها فان قيمة القوتين الطاردة والجاذبة تساوي صفرا ويصبح في حالة اتزان , والأمر مماثل لو كانت كتلة القمر اقل مما هي عليه الآن لتغلبت قوة الجذب المركزية على قوة الطرد و لتهاوى القمر تدريجيا في مسار حلزوني حتى يقع على الأرض والأمر مماثل بالنسبة للمسافة الفاصلة بين الأرض والقمر وكذلك سرعة القمر المدارية .

http://www.0zz0.com/2005/09/07/313098636.gif

من خلال هذا المثال حالة ( غير تسارع ) ، "القوة" الطاردة المركزية يمكن أن تكون موصوفة ببساطة كالقصور الذاتي للجسم ، وعندما يتغلّب هذا القصور الذاتي على القوة المركزية بشكل مستمر لمنع بقاء الطريق دائري . فان القوة المركزية تختفي ، و قوة الطرد المركزية تختفي أيضا ، والجسم يتحرّك في خط مستقيم .

[line]