نشاط عملي يوّضح كيفية صنع قارباً سريعاً

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

نشاط عملي يوّضح كيفية صنع قارباً سريعاً الفيزياء

– الأهداف:

1- توضيح قوانين (نيوتن) حول الحركة.

2- استكشاف تأثير قوة المقاومة والجاذبية على الحركة.

3- صنع قارب يعمل على القوة النفاثة.

 

– الأدوات التي تحتاجها: 

1- أنبوب بلاستيكي بطول 3 بوصات (7.5 سم) أو مصاصة شراب يُمكن ثنيها من دون أن تنكسر

2- سدادة مطاطية تحتوي على ثقب في الوسط، وإذا تعذر ذلك، اطلب من أحد الكبار أن يساعدك في صنع ثقب في سدادة من الفلين

3- قطعة صغيرة ومسطحة من مادة الستايروفوم الرغوية

4- بالونات مختلفة القياسات

5- حوض استحمام أو بركة ماء أو ما شابه ذلك من أجل إنزال قاربك فيها

 

– خطوات العمل: 

1- ادفع الأنبوب البلاستيكي إلى داخل السدادة حتى تصل إلى نهاية الطرف الآخر تقريباً.

 

2- ادفع الطرف الحر من الأنبوب خلال أحد أطراف طبق الستايروفوم. يُشكل هذا الطبق جسم القارب الذي ستقوم ببنائه

 

3- انفخ بالوناً صغيراً ثم احكم القبض على طرفه النهائي أو ضع ملقط ورق على عنق البالون كي تبقي الهواء داخله، ولكن لا تربط نهاية البالون أو تعقده.

 

4- قم بعناية بشد فم البالون المنفوخ وتلبيسه فوق السدادة المطاطية المثقوبة، وبما أن هذا العمل ليس سهلاً، لذلك ينبغي أن تكرر المحاولة، وعندما يأخذ البالون مكانه فوق السدادة، اضغط الأنبوب لمنع الهواء من التسرب.

 

5- اثن الأنبوب بحيث يكون اتجاهه نحو الخلف، ثم ضع القارب في الماء كي تسمح للهواء أن يخرج من الأنبوب.

إذا كان لديك حوض كبير باستطاعتك استخدام مسطرة طويلة أو شريط قياس كي تحسب المسافة التي سيقطعها القارب. دوّن المسافة التي قطعها القارب.

 

تستطيع أخذ قياسين مختلفين حسب حجم البركة أو حوض الاستحمام الذي تستخدمه.

فإذا كان لديك حوض صغير، قم بقياس الزمن الذي يستغرقه القارب للوصول إلى الطرف الآخر من الحوض، أما إذا كان الحوض واسعاً، فقس أقصى مسافة يستطيع القارب قطعها قبل أن يتوقف.

هناك عدة طرق تستطيع من خلالها القيام بهذه التجربة ومقارنة النتائج. وفيما يلي بعض الاقتراحات:

 

حاول أن تستخدم بالونات مختلفة الأحجام وارسم مخططاً بيانياً تبيّن فيه حجم البالون مقارنة بالمسافة التي يقطعها، كما تستطيع أن تقيس عرض كل بالون قبل أن تنفخه.

وإذا كانت البالونات مختلفة من حيث الشكل قم بقياس حجمها عن طريق حساب كم نفخة تحتاج كي تنفخها.

حاول أن تزيد من وزن القارب بوضع عدد من القطع النقدية المعدنية على سطحه، ثم احسب المسافة التي يقطعها. (تذكر قانون الحركة الثاني الذي يقول إن الأجسام الأثقل وزناً تحتاج إلى قوة أكبر كي تتحرك).

 

كرر التجربة بعد وضع  نهاية الأنبوب البلاستيكي في الهواء بدلاً من وضعه تحت الماء. تستطيع تنفيذ ذلك من خلال ثني الأنبوب نحو الأعلى ثم لصقه بمؤخرة القارب. هل يقطع القارب مسافة أبعد عندما يكون الأنبوب باتجاه الهواء؟

وكي تدرس أثر المقاومة، الصق مربعات من الكرتون على ظهر القارب بحيث تكون المربعات في وضع قائم باتجاه الأمام لتشكيل أكبر ما يمكن من مقاومة الهواء. ما الأثر الذي أحدثه ذلك في المسافة التي قطعها القارب؟

 

حاول تثبيت قطعٍ مربعة متماثلة في أسفل القارب بحيث تسبب إعاقة لحركته في الماء. هل يسبب ذلك في إبطاء سرعة القارب؟

إذا أردت أن تجعل القارب يسير لمسافة أبعد بصورة ملحوظة اربط بالونين في آن معاً بالقارب أو استخدم بالوناً من النوع الكبير جداً.

 

سرعة فائقة!

إن معظم القوارب لا تستخدم محركاً نفاثاً لتشتغل، وإنما تستخدم بدلاً من ذلك مراوح تنطلق في حركة دورانية تسحب من خلالها الماء من أسفل القارب ثم تدفعه إلى المؤخرة. غير أن القليل من الزوارق السريعة تستخدم محركاً نفاثاً كالذي تستخدمه

 

يتجه قاربي نحو طرف واحد من الحوض فقط. ماذا ينبغي أن أفعل كي أجعله يسير بخط مستقيم؟

باستطاعتك التحكم باتجاه القارب من خلال تعديل الأنبوب قليلاً من طرف لآخر. مثلاً، إذا كان القارب يتجه نحو اليسار، إحرف زاوية الأنبوب إلى اليمين

 

نصائح للسلامة!

إذا لم يكن لديك سدادة مطاطية مثقوبة باستطاعتك استخدام قطعة فلين، لكن صنع ثقب في قطعة الفلين سيكون صعباً بعض الشيء. لذا ينبغي لك أن تطلب مساعدة أحد الكبار ، وسيكون من السهل على الشخص الذي يقوم بمساعدتك قطع الفلين إلى نصفين كي تصبح قطعة الفلين أقصر.

 

تحليل النشاط:  لقد رأيت من خلال هذا النشاط كيف أن الهواء الذي يندفع من البالون في مؤخرة القارب يدفع القارب نحو الأمام.

وهذا مثال على القانون الثالث لنيوتن، الذي يفيد أن لكل فعل رد فعل يساويه في المقدار ويعاكسه في الاتجاه.

إن الهواء المنطلق من البالون هو الفعل وحركة القارب في الاتجاه المعاكس هي رد الفعل، وكلما كان البالون أكبر حجماً زادت القوة المؤثرة، وبالتالي زادت المسافة التي يقطعها القارب.

 

لماذا تتناقص سرعة القارب؟

ستجد أن القارب يستمر في الحركة ولو بعد نفاد كل الهواء من داخل البالون. سبب هذه الحركة هي «قصور ذاتي» القارب، وهو مثال على القانون الأول لنيوتن، فالقارب يستمر في الحركة بالاتجاه نفسه ما لم توقفه قوة مقاومة خارجية.

تؤدي مقاومة الماء في النهاية إلى توقف القارب، وهذا التغير في السرعة هو مثال على القانون الثاني لنيوتن

 

التأثير على سرعة سير القوارب: كل جسم له قصور ذاتي، والمقصود بها مقاومة التغيرات التي تطرأ على حركة الجسم، فكلما زاد وزن الجسم زاد قصوره الذاتي واحتاج إلى المزيد من القوة كي يتحرك.

عندما أضفت قطع النقود المعدنية على القارب قمت بزيادة وزنه وقصوره الذاتي، ما أدى إلى صعوبة تشغيله وإيقافه.

ولا بدّ أنك اكتشفت أيضاً أن القارب سار لمسافة أبعد عندما كان الأنبوب موجهاً إلى الماء.

 

فالماء أكثر كثافة من الهواء، ما أدى إلى استغراق الهواء فترة أطول للخروج من البالون تحت الماء، وبالتالي استمر الهواء في دفع القارب لمسافة أطول.

إن إضافة المربعات الكرتونية إلى القارب أبطأت من سرعته نتيجة زيادة مقاومة حركته، ولو قمت بإضافة المزيد من القطع الكرتونية إلى أسفل القارب لكانت المقاومة أكثر شدة، ولأصبحت بالتالي حركة القارب أكثر بطئاً.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]