شتاب‌نگار (هواشناسی)
شتاب‌نگار[۱] (انگلیسی: Hodograph) نموداری است که ارائه‌ای بصری و برداری از حرکت یک جسم یا سیال را نشان می‌دهد. این نمودار، مکان هندسی یک سرِ یک بردار متغیر را نشان می‌دهد، در حالی که سر دیگر آن ثابت است.[۲] موقعیت هر نقطه روی شتاب‌نگار، متناظر با سرعت ذره متحرک در نقطه مربوط بر روی مسیر آن است. به شتاب‌نگار، نمودار سرعت نیز گفته می‌شود. به نظر می‌رسد که این مفهوم نخستین بار توسط جیمز بردلی مورد استفاده قرار گرفته است، اما توسعه عملی و معرفی آن عمدتاً توسط ویلیام همیلتون در سال ۱۸۴۶ انجام شد.[۳]
کاربردها
شتاب‌نگار در فیزیک، اخترشناسی، مکانیک جامدات و مکانیک سیالات برای رسم نمودار تغییر شکل مواد، حرکت سیارات یا هر داده دیگری که شامل سرعت قسمت‌های مختلف یک جسم است، استفاده می‌شود.
هواشناسی
در هواشناسی، از شتاب‌نگارها برای ترسیم پروفیل‌های باد (تغییرات باد با ارتفاع) استفاده می‌شود که می‌تواند برای پیش‌بینی چرخندها و شناسایی برش باد مفید باشد.[۴] داده‌های باد معمولاً با پرتاب یک رادیوسوند همراه با یک واحد ردیابی راداری (رادیوسوند) گردآوری می‌شوند. این داده‌ها روی یک شتاب‌نگار ترسیم می‌شوند، به طوری که سرعت باد در امتداد محور شعاعی و جهت باد در امتداد محور محیطی قرار می‌گیرد. شتاب‌نگار می‌تواند برای تعیین «باد گرمایی» که تغییرات بردار باد با ارتفاع است، استفاده شود و از این طریق می‌توان شیب دمایی افقی را استنباط کرد. شتاب‌نگار به‌ویژه برای تشخیص روند تکامل تندرها و پیش‌بینی پتانسیل وقوع هوای شدید، از جمله پیچندها، بسیار مفید است. برای مثال، یک شتاب‌نگار خمیده اغلب نشان‌دهنده وجود برش باد عمودی است که می‌تواند به کج شدن جریان‌های صعودی تندر منجر شود و در نتیجه، دوام و شدت آن‌ها را افزایش دهد. برعکس، یک شتاب‌نگار صاف (مستقیم) نشان‌دهنده برش باد یک‌جهته است که ممکن است منجر به طوفان‌های کمتر سازمان‌یافته و با عمر کوتاه‌تر شود. شکل و اندازه شتاب‌نگار همچنین بر نوع میان‌چرخندی که تشکیل می‌شود، تأثیر می‌گذارد که این امر برای شکل‌گیری پیچند حیاتی است.[۵]
با استفاده از شتاب‌نگار و نمودارهای ترمودینامیکی مانند تفیگرام، هواشناسان می‌توانند موارد زیر را محاسبه کنند:
- چینش باد: خطوطی که دو بردار متوالی را به هم متصل می‌کنند، نشان‌دهنده تغییر در جهت و مقدار باد در یک لایه از جو هستند. چینش باد اطلاعات مهمی در توسعه توفان تندری و تکامل آینده باد در این سطوح است.
- آشفتگی هوا: چینش باد نشان دهنده آشفتگی احتمالی است که می‌تواند برای هوانوردی خطر ایجاد کند.
- فرارفت دما: تغییر دما در یک لایه هوا را می‌توان با جهت باد در آن سطح و جهت چینش باد با سطح بعدی محاسبه کرد. در نیم‌کره شمالی، هوای گرم در سمت راست بردار برش باد بین سطوح جو قرار دارد. عکس این قضیه در نیم‌کره جنوبی صادق است (به باد گرمایی مراجعه کنید). با استفاده از شتاب‌نگار مثال، باد از جنوب غربی به سمت راست بردار چینش باد برخورد می‌کند که به معنی وقوع فرارفت گرما است و بنابراین هوا در آن سطح گرم می‌شود.
آیرودینامیک
در آیرودینامیک، از شتاب‌نگارها برای ترسیم سرعت یک پروفیل آیرودینامیکی یا هواپیما نسبت به جریان هوا استفاده می‌شود.[۶]
مکانیک مداری
در مکانیک مداری، شتاب‌نگار نموداری از سرعت یک جسم در حال گردش به دور جسم دیگری است که به دور آن می‌چرخد. برای مثال، می‌توان از آن برای نشان دادن تغییرات سرعت یک سیاره در حال حرکت به دور خورشید استفاده کرد.[۷]
تاریخچه و ریشه‌شناسی
واژه شتاب‌نگار از کلمات یونانی هودوس (ὁδός به معنی «راه»، «مسیر» یا «جاده») و گرافو (γράφω به معنی «نوشتن» یا «کشیدن») مشتق شده است. این مفهوم توسط ویلیام روان همیلتون در مقاله خود در سال ۱۸۴۶ معرفی شد. همیلتون از این روش برای حل مسئله کپلر (تعیین مدار یک جسم تحت تأثیر قانون نیوتنی جاذبه) استفاده کرد.[۸] این نمودار پس از آن توسط جیمز کلرک ماکسول نیز در تحقیقاتش در زمینه دینامیک گازها و نور به کار رفت.
شتاب‌نگار در مدارهای کپلری
در شتاب‌نگارِ یک مدار کپلری، بردار سرعت در صورتِ مرکزی ثابت، یک دایره را ترسیم می‌کند.[۹] این ویژگی به دلیل خاصیت قانون توان دوم معکوس (قانون نیوتنی جاذبه) است. در یک مدار بیضوی، مرکز این دایره دقیقاً درون دایره قرار دارد و نقطه شروع بردار سرعت روی محیط دایره حرکت می‌کند.
منابع
- ↑ «شتاب‌نگار» [علوم جَوّ] هم‌ارزِ «hodograph»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. دفتر پنجم. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۷۵۳۱-۷۶-۴ (ذیل سرواژهٔ شتاب‌نگار)
{{cite book}}: نگهداری یادکرد:پی‌نوشت (رده) - ↑ "hodograph". Oxford Reference. Retrieved 2022-04-26.
- ↑ Hamilton, William Rowan (1846). "The hodograph, or a new method of expressing in symbolical language the Newtonian law of attraction". Proceedings of the Royal Irish Academy. 3: 344–353.
- ↑ DeWitt, Dave (2014-04-28). "Hodograph FAQ". NOAA. Retrieved 2022-04-26.
- ↑ DeWitt, Dave (2014-04-28). "Hodograph FAQ". NOAA. Retrieved 2022-04-26.
- ↑ Gracey, William (1980). Measurement of Aircraft Speed and Altitude (PDF). NASA. pp. 11–12. Retrieved 2022-04-26.
- ↑ Hicks, William M. (1883). "Recent progress in dynamics". Nature. 28 (719): 317–319. Bibcode:1883Natur..28..317H. doi:10.1038/028317a0. S2CID 4019466.
- ↑ Stern, David P. (2001-08-08). "Kepler's Second Law". From Stargazers to Starships. NASA.
- ↑ Moore, Patrick (2006). "The Data Book of Astronomy". Taylor & Francis. p. 235. ISBN 978-0-7503-1020-0.
{{cite web}}: مقدار|شابک=را بررسی کنید: جمع‌آزما (کمک)
- باد
- مکانیک کلاسیک