بحث الأطفال كيفية تصميم الأنواع الرئيسية للجسور

1999 أطفالنا والعلوم في المرحلة الابتدائية

KFAS

تصميم الأنواع الرئيسية للجسور الفيزياء

اذا نظر الأطفال إلى الجسور حول المدرسة أو إلى صور الجسور، فقد يمكنهم التعرف على أربعة أنواع رئيسة من هذه الجسور هي: عوارض أفقية، الجسور المقوسة، الجسور المعلقة، جسر الكابول (جسر مثبت على دعامة ناتئة مثبتة من طرف واحد).

 

جسور العوارض الأفقية

جسر العارضة الأفقية ما هو إلا لوح خشبي يمتد على فجوة بين دعامتين. والعديد من التجارب السابقة قد تضمنت أنشطة اختبار متانة أو قوة المواد باستخدام هذا النوع من المنشآت.

وإذا لف الأطفال قطعة من الصلصال على شكل ثعبان طويل، ووضعوه على امتداد فجوة بين عارضتين من خشب فسوف يتدلى من المنتصف، وهذا يوضح أن الأجسام لها وزن، وأنها تنحني بسبب تأثير قوة الجاذبية الأرضية على وزن أجسامها (شكل 11-9أ) واذا أضيف له ثقل فإنه سينحني أكثر وسيدرك الأطفال من تجاربهم السابقة أن الثقل الكبير سيسبب انهيار المبنى، وستتحطم العارضة.

وهناك عدة طرق للتغلب على هذا الإرتخاء، منها تقوية المادة كما في الإسمنت المقوى، واستخدام دعامات إضافية، وثني جوانب الجسر كما سبق أن رأينا أن ثني الورقة لزوايا قائمة يقويها، وبناء قوس أسفل العارضة، أو تعليق العارضة بوساطة مجموعة من الأسلاك.

ويستطيع الأطفال اختبار تأثير إضافة العوارض عن طريق إيجاد الثقل الذي يمكن لجسر مصنوع من شريحة كرتونية طويلة أن يتحملها قبل انهياره، مقارنة بآخر مصنوع من نفس الكمية من الكرتون ودعامة واحدة واثنين وثلاثة.. الخ. (شكل 11-9ب).

 

وبالرغم من أن إضافة الدعامات تزيد من تحمل الجسر ومتانته إلا أنها قد تكون شديدة القرب من بعضها بحيث انها لا تسمح بمرور السيارات او القوارب من بينها.

وحل آخر هو بتقليل انحناء العارضة عن طريق البناء على جانبيه، ويستطيع الأطفال اختبار تأثير ثني جوانب البطاقة الكرتونية كما هو موضح في شكل (11-9ج) واذا لاحظ الأطفال بدقة مكان بداية انحناء الورقة، فيمكنهم بعد ذلك دعم هذه الأماكن ثم اختبارها، لملاحظة إن كان البناء أصبح أقوى (شكل 11-9د).

ولتقوية جوانب المبنى، فإنك لا تحتاج لاستخدام المادة الصلبة الأصلية نفسها، بل إنه يمكن صنعها من مواد أخف مبنية علي شكل تعريشة (Lattice Work)، وذلك لتقليل وزن الجسم الأصلي، ومن المرجح أن تكون التعريشة مبنية على أشكال مثلثة والتي سبق للأطفال اكتشاف أنها تكسب البناء قوة وصلابة، ويستطيع الأطفال عمل تعريشات مختلفة لاختبار قوتها.

وبما أن البناء يجب أن يدرس الناحية الاقتصادية للمشروع إلى جانب القوة فإنه يجب على الأطفال تسجيل عدد شرائح الكرتون التي احتاجوها للعمل إلى جانب الأثقال التي حملها قبل ارتخائه او انهياره (شكل 11-9هـ).

 

الجسور المقوسة (القناطر)

القنطرة هي طريقة أخرى تستخدم لإيقاف الانحناء السفلي للعارضة المسطحة ويستطيع الأطفال اكتشاف ذلك عن طريق مقارنة الوزن الذي يمكن لبطاقات العوارض الأفقية حملها بأخرى مدعمة بقوس (شكل 11-10أ) حيث إن وزن الحمولة موزع على جانبي القوس المصنوع من الطابوق..

وإذا استخدمت مكعبات خفيفة بدلا من الطابوق، فإنها سوف تتباعد، مما يوضح الحاجة لاستخدام دعامات شديدة الصلابة.

وإذا صنع الأطفال قنطرتهم الخاصة من المطاط أو طابوق الصلصال، فإن ذلك سيساعدهم على إدراك أهمية المرتكز لها، ويجب عليهم في البداية أن يرسموا حول قاعدة صفيحة أو مرطبان على قطعة كرتونية، ثم يرسموا أحجارا إسفينية الشكل، كما هو موضح في شكل (11-10ب).

 

وعادة ما يكون حجر المركز أو المرتكز أكبر من الصخور الأخرى، وتقطع هذه الأشكال وتستخدم كقالب للمطاط أو الصلصال. وإذا استخدمت رقائق المطاط فإنهم سيحتاجون لسمك ثلاثة رقائق منها تقريبا، وما أن يجف الصلصال ويتصلب حتى يمكن بناء القوس (القنطرة) حول الصفيحة التي يمكن سحبها عندئذ بحرص، (شكل 11-10ج).

سيجد الأطفال أن عدم وجود القطعة في مركز القنطرة سيؤدي إلى انهيارها، وبما أن المرتكز ينجذب للأسفل بتأثير وزنه، وبقوة الجاذبية الأرضية، فإنه يجب أن يثبت بإحكام تام في مكانه، وبذلك يجعل البناء أكثر أمنا.

والقناطر شائعة إلى حد ما في الأجسام الطبيعية، وعلى سبيل المثال، القواقع والبيض. ويمكن توضيح متانة البيضة عن طريق جمع قشور البيض وتقطيعها إلى أربعة أنصاف مقوسة للأعلى، وتسند عليها قطعة من لوح جامد، وسيلاحظ الأطفال أن هذا التركيب يمكنه حمل عدة كتب قبل أن ينكسر البيض أخيراً.

 

الجسور المعلقة

تستخدم الكيبلات (الأسلاك) في الجسور المعلقة لحمل العارضة، وإذا حاول الأطفال بناء مجسم لجسر معلق، ربما باستخدام صورة جسر حقيقي كدليل لهم، فسرعان ما سيجدون أنه عند إضافة الأحمال للمجسم، فإنهم يحتاجون إلى تثبيت نهايات الكيبلات (الأسلاك) لمنع الأبراج من الميل للداخل.

وهنا يحاول الأطفال التعرف على كل القوى التي تؤثر على النموذج، فوزن التحميل أو حركة المرور على الجسر، تمثل أثقالا في الاتجاه إلى أسفل، وهذه الأثقال تعادل بوساطة فعل الكيبلات في الاتجاه العلوي.

والسحب الداخلي للكيبلات على الأبراج يمكن معادلته بكيبلات أخرى للتثبيت.. والأبراج تدفع للأسفل بفعل الوزن والكيبلات، ويتعادل ذلك بقوة دفع الأرض للخارج على قاعدة الأبراج، وما لم تتعادل هذه القوى، فإن الجسر سيتحرك وينهار.

ويلعب التماثل دورا هاما في المتانة العامة لأي بناء، حيث إنه من الأسهل معادلة قوى جميع المكونات عندما يكون البناء متماثلا.

 

جسور الكابول

تتوازن العديد من القوى المعقدة في جسر الكابول، ويمكن البداية الطلب من الأطفال بناء منصة غوص تمتد لأطول مسافة ممكنة من البرج، وتحمل 100 جم من الثقل في نهايتها. والمواد التي يجب أن يستخدموها هي قوالب خشبية للبرج، وقطعة سميكة من الخشب أو الكرتون، وأثقال أخرى فقط.

وسيجدون بأنهم يحتاجون لوضع أثقال على قطعة الكرتون على البرج لتوازن ثقل المئة جرام شكل (11-11أ).

ويمكن تصميم رافعة (ونش) كنوع من الكابول.. وكما هو في منصة الغوص، فإنها تحتاج لمعادلة وزن الحمولة التي يتم رفعها.

ويُبنى جانبي جسر الكابول بطريقة مشابهة لشكل (11-11ب)، ويستطيع الأطفال إجراء التجربة بأثقال مختلفة على البرجين والمركز، وفي مواضع مختلفة على الجسر، وذلك لتصميم نموذج جسر باستخدام أقل كمية من الكرتون والأثقال، التي يمكنها حمل لعبة شاحنة محملة (بثقل 100 جرام) تدفع عليه.

ويمكن لمشروع عن الجسور أن يتضمن دراسات عن الجسور المشهورة، ومن بناها، وكوارث ملحوظة فيها، وسبب حدوثها.

كما يمكن اختتام هذا النشاط بإجراء تجربة متشعبة لبناء جسر يمتد لمسافة (مترين) بين الأدراج، باستخدام ورق الجرائد والشريط اللاصق وخيط، مما سيمكن الأطفال من تطبيق الأفكار التي تم دراستها في الفصل. كما ستسمح للمعلم في تقويم مدى استيعاب الأطفال لتلك المفاهيم.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]