مدولِ یانگ — آزمایشی که باید خرابش کنی تا بدانی کجا درست بود

این از کجا آمده

رابرت هوک در ۱۶۷۶ کشفش را به‌صورتِ یک معمای لاتین منتشر کرد — ceiiinosssttuv — و دو سال بعد جوابش را داد: ut tensio, sic vis، «کشش به اندازهٔ نیرو». ولی هوک چیزی را نگفت که بعدها معلوم شد مهم‌ترین بخشِ ماجراست: این قانون همیشه برقرار نیست. توماس یانگ در ۱۸۰۷ عددی تعریف کرد که سفتیِ خودِ ماده را می‌سنجد، نه سفتیِ این تکه سیمِ خاص. و مهندسانِ قرنِ نوزدهم — بعد از فروریختنِ چند پل — یاد گرفتند که سؤالِ اصلی این نیست که «شیب چقدر است»، بلکه این است که «تا کجا اصلاً خط هست».

پس‌زمینهٔ نظری

سیمی به طولِ L و قطرِ d را با نیروی F می‌کشی و به اندازهٔ x دراز می‌شود. تنش σ = F/A و کرنش ε = x/L است، و مدولِ یانگ نسبتِ آن دو: E = σ/ε = FL/(Ax). چون A = πd²/4، اگر شیبِ خطِ x برحسبِ F را m بنامیم، E = 4L/(πd²m).

به d² در مخرج خوب نگاه کن. یک درصد خطا در قطر، دو درصد خطا در E می‌شود. در این آزمایش، قطرِ سیم — نه درازشدنش — جایی است که تقریباً تمامِ خطا زندگی می‌کند، و این چیزی است که در نگاهِ اول اصلاً به چشم نمی‌آید.

و این رابطه فقط تا یک جایی برقرار است. زیرِ حدِ کشسانی، سیم پس از برداشتنِ وزنه دقیقاً به طولِ اولش برمی‌گردد. بالاترش، بخشی از درازشدن ماندگار می‌شود: سیم دیگر همان سیمِ قبلی نیست. از آن به بعد نقطه‌هایت روی خط نمی‌نشینند، ولی چون کمی بالای خط می‌نشینند و نه خیلی، تشخیصش از روی شکلِ نمودار سخت است.

۱. چیدمان

یک سیمِ فولادی از سقف آویزان است و یک کفهٔ وزنه به انتهایش بسته شده. کنارِ سیم یک مقیاسِ ورنیه است که تا ۰٫۰۱ میلی‌متر می‌خواند، و روی میز یک ریزسنج (میکرومتر) هست که قطرِ سیم را در هر نقطه‌ای که بخواهی اندازه می‌گیرد.

هر بار یک کیلوگرم اضافه می‌کنی و خوانشِ مقیاس را ثبت می‌کنی. هر وقت خواستی می‌توانی همهٔ وزنه‌ها را برداری و مقیاس را صفر کنی — و همان لحظه معلوم می‌شود سیم به جای اولش برگشته یا نه. این تنها راهی است که از درونِ آزمایش می‌فهمی هنوز در محدودهٔ اعتبارِ قانونِ هوک هستی یا نه.

درازشدنِ سیم ده برابر بزرگ‌نمایی شده، وگرنه با چشم دیده نمی‌شد.

—
هنوز خوانشی ثبت نشده
چند وزنه اضافه کن و ببین سیم چقدر دراز می‌شود.

سیمِ نو یعنی همه‌چیز از نو: همان جنسِ فولاد است، ولی قطرش دقیقاً همان نیست و همهٔ داده‌های قبلی بی‌اعتبار می‌شوند.

۲. جدول خوانش‌ها

۳. محاسبه

به نقاطِ x برحسبِ F خطی با عرض‌از‌مبدأ برازش می‌دهیم — عرض‌از‌مبدأ لازم است چون سیم در ابتدای کار کمی شُل است و اولین وزنه‌ها بیشتر دارند آن شُلی را می‌گیرند تا اینکه فولاد را بکشند. شیبِ همین خط E را می‌دهد.

سه جواب کنارِ هم حساب می‌شود تا ببینی هر تصمیمت چقدر می‌ارزد: یکی با یک بار اندازه‌گیریِ قطر، یکی با میانگینِ اندازه‌گیری‌های قطر، و یکی که علاوه بر آن فقط از نقاطی استفاده می‌کند که ثابت کرده‌ای در محدودهٔ کشسان بوده‌اند. پایین‌تر هم بودجهٔ خطا آمده: سهمِ قطر و سهمِ شیب، جدا از هم.

نقاطِ بارگذاری (این ران / درونِ محدودهٔ تأییدشده):۰ / ۰
تعداد اندازه‌گیریِ قطر:۰
قطرِ میانگین:—
بیشترین بارِ تأییدشدهٔ کشسان:—
شیبِ خط:—
E — همهٔ نقاط، قطر یک‌بار اندازه‌گرفته:—
E — همهٔ نقاط، قطرِ میانگین:—
E — فقط محدودهٔ تأییدشده، قطرِ میانگین:—
بودجهٔ خطا — سهمِ قطر (۲Δd/d):—
بودجهٔ خطا — سهمِ شیب (Δm/m):—
بهترین جوابِ تو برای مدولِ یانگ: —

۴. تحلیل با Python

داده‌های تو در trials_data هستند: یک دیکشنری با کلیدِ L (طولِ سیم به متر) و کلیدِ rows. هر سطر kind دارد («load»، «zero» یا «diameter») و بسته به آن run، kg، F (نیوتن)، x (میلی‌متر) یا d (میلی‌متر).

بخشِ ۳ برای پیداکردنِ محدودهٔ کشسان به تو تکیه کرد: تا وزنه‌ها را برنمی‌داشتی، نمی‌دانست کجا خط تمام می‌شود. کدِ آماده راهِ کاملاً دیگری می‌رود — هیچ وزنه‌ای برنمی‌دارد و فقط به خودِ داده نگاه می‌کند. یک خط به همهٔ نقاط می‌دهد و بعد باقی‌مانده‌ها را رسم می‌کند: فاصلهٔ هر نقطه تا خط. روی نمودارِ اصلی نقاطِ خراب تقریباً روی خط می‌نشینند و چشم چیزی نمی‌بیند؛ روی نمودارِ باقی‌مانده همان نقاط ده‌ها برابر دورتر از صفرند. این ترفندی است که در هر برازشی به کار می‌آید، نه فقط اینجا.

Pyodide هنوز لود نشده
خروجی پایتون اینجا می‌آید

۵. افشای مقدار واقعی

وقتی روی یک جواب ایستادی، این را بزن.