نشاط عملي يوّضح كيفية الرفع بواسطة البكرة

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

كيفية الرفع بواسطة البكرة البكرة الفيزياء

– الأهداف:

1- صنع نظام بكرات.

2- تقليل القوة اللازمة لرفع الحمل.

 

– الأدوات التي تحتاجها:

1- فرجار

2- أقلام رصاص

 

3- طبق من الكرتون السميك

4- غراء لاصق (صمغ)

 

5- كوبان صغيران من  البلاستيك

6– ثقابة

 

7- خيط

8- وتد خشبي

 

– خطوات العمل:

1- ابدأ بصنع دولاب البكرة، استخدم الفرجار لرسم ثلاث دوائر على الكرتون السميك. ينبغي أن يكون قطر اثنتين من الدوائر التي رسمتها بوصتين (5 سم). لذلك اضبط الفرجار بحيث تكون المسافة بين قلم الرصاص والنقطة 1 بوصة (2،5  سم).

وينبغي أن يكون عرض الدائرة الأخرى 1،75 بوصة (4،4 سم). افتح الفرجار بمقدار 0،87 بوصة (2 سم).

 

2- الآن الصق الدوائر معاً وأدخل الدائرة الصغيرة بين الدائرتين الكبيرتين. ضع ثِقَلاً فوق الدولاب إلى أن يجف الصمغ وتلتصق الدوائر بإحكام. وإذا لم تستطع الحصول على كرتون (ورق مقوى) سميك، استخدم ورقتين من الكرتون الرقيق.

 

3- اطلب من أحد الكبار أن يساعدك على صنع ثقب في مركز الدولاب يتسع لقلم رصاص، ثم أدخل قلم الرصاص في الثقب.

 

4- اصنع ثقبين على جانبي الكوب البلاستيكي من الأعلى ثم اربط خيطاً قصيراً بين الثقبين.

 

5- استخدم خيطين لتعليق البكرة من الوتد الخشبي. وازن الوتد بين كرسيين بحيث يرتفع عن الأرض، ثم ضع خيطاً طويلاً فوق دولاب البكرة بحيث يتدلى من الجانبين. اربط كوباً بنهاية الخيط.

 

6– ضع عدداً قليلاً من القطع النقدية المعدنية أو الأوزان في الكوب، وقم بشدّ الخيط نحو الأسفل. لاحظ مقدار الجهد المبذول لرفع الوزن.

 

7- الآن اربط الطرف الآخر من الخيط بالكوب الثاني. ضع العديد من الأوزان في أحد الكوبين. أضف أوزاناً إلى الكوب الآخر إلى أن يرتفع الكوب الأول. سجّل عدد القطع النقدية في كل كوب.

 

الآن وبعد أن درست الأشكال البسيطة من البكرات تستطيع أن تصنع بكرة مركّبة. أولاً، اصنع بكرة ثانية مثل البكرة التي صنعتها في النشاط الرئيس.

اربط أحد الكوبين بقلم رصاص البكرة الثانية كما هو مبين في الصورة هنا. ثم اربط أحد طرفي خيط طويل بالوتد الخشبي.

اربط الخيط أسفل وحول البكرة غير المثبتة، ومن ثم إلى أعلى وفوق البكرة المثبتة. اربط كوباً ثانياً في نهاية الخيط.

 

ارسم جدولاً مؤلفاً من عمودين. ضع أربعة أثقال (أوزان) في الكوب المربوط بالبكرة غير المثبتة ودوّن العدد في العمود الأول.

تُمثّل هذه الأوزان الحمل. الآن أضف أثقالاً أخرى إلى الكوب الثاني بمعدل ثقل واحد في كل مرة إلى أن يرتفع الكوب الأول. 

 

سجل عدد الأثقال في الكوب الثاني في العمود الثاني من الجدول، وهذا يُمثّل مقدار الجهد اللازم لرفع الحمل.

كرر التجربة مضيفاً ثقلاً آخر إلى الكوب الأول في كل مرة وسجل نتائجك. هل تلاحظ أي شيء يثير الاهتمام حول الطريقة التي ترتفع خلالها الأعداد في كلا العمودين؟.

تستطيع زيادة الفائدة الميكانيكية لدرجة أكبر عن طريق إضافة المزيد من البكرات إلى نظام البكرات.

 

اصنع دولابي بكرة إضافيين وأدخلهما في قلم الرصاص إلى جانب الدواليب الأصلية بحيث يكون هناك بكرتان في كل قلم رصاص.

اربط أقلام الرصاص بالوتد الخشبي كما فعلت من قبل، واربط كوباً بقلم الرصاص في البكرة غير المثبتة. ثم اربط أحد طرفي الخيط الطويل بالوتد ولف الخيط فوق البكرات كما في الشكل التخطيطي.

 

اربط بعد ذلك كوباً ثانياُ في نهاية الخيط. كرر التجارب التي أجريتها مع نظام البكرة المزدوجة، ثم ارسم جدولاً تسجل فيه عدد الأوزان (الأثقال) التي احتجت إليها كي ترفع الكوب.

هل تستطيع أن تحسب الفائدة الميكانيكية لهذا النظام من البكرات؟

 

نصائح للسلامة

قد يكون من الصعب أن تقوم بقص قطعة سميكة من الكرتون. إذا واجهت أي مشكلة اطلب مساعدة أحد الكبار. استخدم ثقابة لصنع الثقوب في الكوبين بشكل آمن.

 

سحب السيارة العالقة

غالباً ما تعلق عجلات السيارات في الوحل في المناطق الوعرة. لهذا السبب تُجهز معظم السيارات بنوع من أنواع أدوات الرفع والجر.

فعندما يعجز السائق عن تحريك السيارة من خلال عجلاتها يلجأ إلى الاستعانة بكبل المرفاع (الونش)، حيث يقوم بثبيت الكبل بأحد الأشجار القريبة.

ويستخدم المرفاع، الذي يعمل بواسطة محرك السيارة نفسها، نظام بكرات مركبة لكي يسحب السيارة العالقة في الوحل.

 

استكشاف الأخطاء وتصحيحها

ما العمل إذا علقت البكرة ولم تعد قادرة على الحركة بانسياب؟

إذا لم يتحرك دولاب البكرة بانسياب، عليك أن توسّع فتحة قلم الرصاص قليلاً بحيث يستطيع القلم الدوران بسهولة.

 

– تحليل النشاط:  بعد صنع البكرات في هذه الأنشطة، لا بدّ أنك كوّنت فكرة أفضل حول عمل أنظمة البكرة الأحادية والبكرة المركّبة.

لم تعمل البكرة الأحادية على إضافة أي فائدة ميكانيكية. لم يتطلب منك الأمر سوى إضافة عدد القطع النقدية ذاته في الكوب الثاني لكي ترفع الكوب الأول.

في الحقيقة ربما كنت بحاجة إلى المزيد من القطع النقدية في الكوب الثاني نظراً لضرورة وجود بعض الثقل من أجل التغلب على عامل الاحتكاك بين قلم الرصاص والخيوط.

 

إن البكرات الأحادية هي أدوات مفيدة جداً من أجل تغيير اتجاه الشدّ بحيث يصبح من الممكن رفع الأوزان الثقيلة عن طريق السحب أو الشدّ نحو الأسفل بدلاً من الرفع، وكما لاحظنا في المقدمة، إن الشدّ نحو الأسفل هو أكثر سهولة من الرفع.

غير أن البكرة الأحادية لا تضيف أي فائدة ميكانيكية، وهي لهذا السبب لا تقلل الجهد اللازم لرفع الحمل.

 

أما البكرة المزدوجة فلا بدّ أنها أعطت نتيجة مغايرة. لا بدّ أن لاحظت أنك جعلت الكوب المحمل بالأثقال يرتفع بإضافة نصف كمية الأوزان إلى الكوب الفارغ (مرة أخرى تذكر أننا يجب أن نأخذ الاحتكاك في الحسبان)، وهذه هي الفائدة الميكانيكية للبكرتين.

ولو أنك أدرجت نظام البكرات الأربع في الرسم البياني لوجدت أنك بحاجة إلى إضافة ربع الوزن أو الثِقَل فقط كي تجعل الكوب الأول يرتفع – وهنا نجد الفائدة الميكانيكية لأربع بكرات.

 

ما الأمر الذي حدث؟

في كل مرة قمت خلالها بإضافة أثقال إلى الكوب الفارغ كانت تلك الأثقال تولّد قوة أو جهداً، وقد أدى هذا الجهد إلى شدّ الخيط ورفع الحمل في الكوب المزود بالأثقال.

وسبب الاختلاف في مقدار الجهد أو القوة المطلوب بين البكرة الأحادية والمركّبة هو أن البكرة المركّبة تكبّر أو تضخّم القوة وتنشئ فائدة ميكانيكية، وبالتالي يصبح رفع الحمل أكثر سهولة.

وربما لاحظت أيضاً أن المسافة التي قطعها الكوب نحو الأسفل كانت ضعفي المسافة التي ارتفع خلالها الكوب الآخر في نظام البكرة المزدوجة، ويشير ذلك إلى وجود علاقة بين المسافة والجهد كحقيقة تنطبق على جميع الآلات البسيطة.

 

إن كلفة استخدام جهد أقل تنطوي على أن الحمل سيتحرك لمسافة أقصر من الجهد، في حين يصبح الجهد مضاعفاً عند استخدام البكرة المزدوجة، لكن المسافة التي يرتفع فيها الحمل تعادل نصف المسافة التي يقطعها في البكرة الأحادية.

وإذا ما مررت بموقع بناء أو حوض سفن، حيث تمارس الرافعات نشاطها، ابحث عن منظومات البكرات التي تستخدمها تلك الرافعات، وحاول أن تكتشف مكان تطبيق الجهد وعدد البكرات في كل منظومة، واكتشف أيضاً مقدار الفائدة الميكانيكية المكتسبة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]