الفيزياء

نشاط عملي يوّضح كيفية تصميم “الفرن الشمسي” بطرق مختلفة

456 4 دقائق

2011 تجارب علمية الحرارة والطاقة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفرن الشمسي كيفية تصميم الفرن الشمسي الفيزياء

الأهداف

1- اكتشاف كيف تشع الشمس الحرارة.

2- استخدام الأشعة الشمسية لطهي الطعام.

الأدوات التي تحتاجها

1- علبة أحذية أو أي صندوق طويل وضيق

2– فرجار وقلم رصاص

3- مقص

4- كرتون

5- رقاقة ألمنيوم

6- شريط لاصق

7- ثقّابة ورق

8- سيخ خشبي

9- مصاصة شراب قابلة للطي

10- حلوى مارشملو

11– يوم مُشمس

12- غراء أبيض أو صمغ

خطوات العمل

1- اقلب علبة الأحذية على جانبها واستعمل الفرجار لرسم قوس قزح على جانب العلبة، تقريباً في وسط أحد جوانبها الطويلة. ثم ارسم قوساً آخر على الجانب الآخر من العلبة.

2- قص القوسين بالمقص.

3- ضع قطعة من الكرتون في القوس بحيث يدخل فيه بإحكام ثم ضع إشارة بقلم الرصاص على جانبي الكرتون كي تبين مكانها في القوسين المقصوصين. انزع قطعة الكرتون وقصها بحيث يدخل الجانب المقصوص في القوس.

4- عندما تقص الجزء الذي ستستعمله في القوس من الكرتون قم بتغطية أحد جانبيه بالصمغ أو الغراء الأبيض، ثم ألصق رقاقة الألمنيوم عليه بحيث يكون الجانب اللامع من الرقاقة إلى الخارج. وحاول أن تبقي الرقاقة ملساء ومن دون تغضن – حيث تحتاجها أن تكون خالية من التجعد.

5- أدخل قطعة الكرتون المغطاة برقاقة الألمنيوم في الجزء المقوس من العلبة بحيث يكون الجزء اللامع نحو الأعلى، ثم ألصقها على العلبة مبتدئاً في المنتصف ثم الأطراف.

6- اقطع شكلين مستطيلين من الكرتون ثم اصنع ثقباً في منتصف كل منهما على مسافة 1 بوصة (2.5 سم) من طرفهما. الصق المستطيلين على جانبي العلبة بحيث يكون الثقب في الجزء العلوي من قوس رقاقة الألمنيوم

7- الصق مصاصة الشراب على أحد نهايتي السيخ الخشبي ثم احنها نحو الأعلى لتصنع منها مقبضاً تمسك به.

8- أدخل السيخ الخشبي في أحد الثقبين على قطعة الكرتون وأدخل بعض قطع حلوى المارشملو في السيخ ثم ادفعه إلى داخل الثقب الآخر بحيث يستند إلى المستطيلين الكرتونيين.

9- ضع العلبة تحت أشعة الشمس الحارة وراقب الفرن الذي صنعته للتأكد من أنه موجود في مكان مشمس وغير محجوب عن أشعة الشمس. قم بتدوير المقبض على فترات كي تسمح لقطع الحلوى أن تنضج بشكل متساوٍ.

ما العمل لو أن الفرن الشمسي الذي قمت بصنعه لا يتلقى ما يكفي من الحرارة لطهي الطعام؟

تعمل الأفران الشمسية على وجه أفضل في الأيام التي تكون فيها الشمس ساطعة والسماء صافية.

ولو استخدمت الفرن الشمسي في فترة العصر، ربما تكون الشمس قد مالت إلى الغروب، ما يؤدي إلى عدم تسخين الفرن بشكل كاف.

وقد تحتاج أيضاً إلى تحريك الفرن عندما يسخن الطعام بحيث يتلقى الفرن كمية كبيرة من ضوء الشمس. انظر إلى صورة الفرن الشمسي، الصفحة 51 للحصول على أفكار إضافية حول الموضوع.

هناك مئات التصاميم المختلفة للأفران الشمسية. تستعمل معظم هذه الأفران مواد بسيطة وغير مكلفة وخفيفة الوزن.

ونعرض هنا تصميماً بسيطاً لفرن شمسي تستطيع صنعه من مخلفات علب البيتزا. ويعمل هذا الفرن عن طريق امتصاص حرارة الشمس على ورقة سوداء لتوفير جو حار مماثل للفرن، إضافة إلى عكس الحرارة بصورة مباشرة على الطعام وذلك باستخدام رقاقة الألمنيوم.

الفرن الشمسي المصنوع من علبة البيتزا

كي تصنع هذا الفرن الشمسي ستحتاج إلى علبة بيتزا كبيرة الحجم وعلبة أخرى صغيرة وصحف قديمة وورق الأشغال باللون الاسود وكرتون ورقاقة ألمنيوم ومصاصة شراب ومقص وبلاستيك شفاف أو زجاج سميك.

1- أضف بطانة من الصحف القديمة المجعدة على قعر العلبة الكبيرة. ضع العلبة الصغيرة داخل العلبة الكبيرة وقم بحشو الفراغ بينهما بمزيد من الصحف المجعدة. قص لوحاً من الكرتون لوضعه بين العلبتين ثم الصقه في المكان.

ارسم على أعلى العلبة الصغيرة مربعاً كبيراً بمسافة بوصة واحدة (2.5 سم) من جوانب العلبة. اقطع ثلاثة جوانب من هذا المربع كي تصنع غطاء متحركاً. الصق رقاقة ألمنيوم على الجوانب الداخلية للعلبة الصغيرة واللوح المتحرك المفتوح، والصق ورقة سوداء على قعر العلبة الصغيرة.

2- ضع لوح البلاستيك فوق الجزء الداخلي من العلبة الصغيرة، ثم ضع الطعام الذي ترغب في طهيه فوق اللوح البلاستيكي. أسند الجزء المفتوح المتحرك على مصاصة شراب بتثبيتها على قطعة من صلصال اللعب بشكلٍ يعكس أشعة الشمس على الطعام.

اترك الفرن الشمسي تحت الشمس كي يتم طهي الطعام. وبإمكانك أيضاً محاولة وضع الطعام تحت اللوح البلاستيكي لترى أياً من الطريقتين تطهو الطعام بشكل أسرع.

هل تستطيع التفكير بأي تصميم آخر لبناء فرن شمسي؟ حاول أن تخترع تصميمك أنت عن طريق استخدام مواد منزلية وحاول أن تطبخ الطعام فيه.

تحليل

من المهم أن نعمل في أي فرن شمسي على تركيز الحرارة المنبعثة من الشمس على الطعام، ويتحقق ذلك عن طريق انعكاس الحرارة من رقاقة الألمنيوم أو باستعمال الألوان القاتمة كي تقوم بامتصاص الحرارة.

وفي الفرن الشمسي الذي صنعته بنفسك في النشاط الرئيس، استخدمت رقاقة الألمنيوم لعكس الحرارة على الطعام، كما أن السطح المقوس مهم أيضاً لأنه يقوم بتجميع أشعة الشمس على مساحته الواسعة ثم يركزها على الطعام.

وفي الفرن الشمسي الذي تطرقنا إليه في المتابعة يتم استخدام الانعكاس والامتصاص، حيث تقوم الورقة السوداء بامتصاص الحرارة ونقلها إلى أسفل الطعام، بينما تقوم رقاقة الألمنيوم بعكس ضوء الشمس على الطعام من الأعلى.

وبالطريقة ذاتها التي قد تتعرض فيها لحروق الشمس من الأشعة فوق البنفسجية في يوم غائم فإن هذه الأفران الشمسية تعمل أيضاً ولو في أحوال الطقس الغائم غير أن فترة الطهي تكون أطول في هذه الحالة لأن الحرارة المنعكسة ستكون قليلة نسبياً.

كما ستجد أنك إذا استخدمت موقدك في يوم صحو، لكنه بارد، فلن تستطيع طهي طعامك على الإطلاق. صحيح أن الحرارة في تلك الحالة لا تزال تنعكس من رقاقة الألمنيوم وتشع على الطعام الموجود فوقها.

لكن كمية كبيرة من الحرارة ستضيع أثناء انتقالها إلى الهواء البارد، ولهذا السبب يعيش معظم الناس الذين يعتمدون على المواقد الشمسية في مناخات حارة ومشمسة على مدار السنة.

نصائح للسلامة

يمكن أن تصل درجة حرارة الأفران الشمسية إلى 275 درجة فهرنهايت (135 درجة مئوية). وهذه الحرارة كافية لطهي الطعام والتخلص من الجراثيم الموجودة في الماء.

ويستغرق طهي الطعام بهذه الطريقة ضعفي الوقت الذي يستغرقه الطهي في فرن المنزل، وعليك أن تترك الفرن حوالي نصف ساعة تحت أشعة الشمس كي يسخن ويصبح مهيأً للطهي.

وقبل أن تأكل أي لحوم قمت بطهيها بهذا الفرن قم بقياس درجة حرارتها الداخلية بميزان الحرارة المخصص لهذا الغرض. وإذا لم تبلغ درجة الحرارة الداخلية للطعام 180 درجة فهرنهايت (82 مئوية)، ينبغي لك عدم تناولها.

كيف تعمل الألواح الشمسية؟

تُستخدم الألواح الشمسية لتسخين الماء في المنازل، حيث يجري تخزين الحرارة الزائدة واستعمالها عند الحاجة.