نشاط عملي يوّضح كيفية بناء سطحاً مائلاً

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

كيفية بناء سطحاً مائلاً الفيزياء

– الأهداف:

1- معرفة سبب حاجتنا إلى قوة أقل لرفع حمولة ما عند استخدام سطح مائل.

2– فهم فكرة الفائدة الميكانيكية.

 

– الأدوات التي تحتاجها:

1- ثقابة

2- علبة أفلام تصوير

 

3- حلقات مطاطية أو قطعة من شريط مطاطي

4- قطع نقدية معدنية أو عزقات معدينة

 

5- مسطرة

6- كتب

7- لوح خشبي أو قطعة من البلاستيك بطول قدمين (61 سم).

 

– خطوات العمل:

1- ابدأ بصنع ثقبٍ صغير في غطاء العلبة مستعيناً بالثقّابة. أدخل شريط المطاط في الفتحة واعقده من الداخل بحيث لا ينزلق خارج غطاء العلبة.

 

2– ضع بعض النقود المعدنية أو الأثقال في قعر العلبة حتى منتصفها ثم قم بإحكام الغطاء عليها.

 

3– قم بقياس طول الشريط المطاطي من دون أن تشده.

 

4- استخدم الشريط المطاطي لترفع الوزن ببطء حتى مستوى كومة الكتب. قم بقياس طول الشريط المطاطي عندما تصل إلى مستوى ارتفاع الكتاب في أعلى الكومة.

 

5- الآن اصنع سطحاً مائلاً أملس حتى مستوى الكتب باستخدام لوح خشبي أو بلاستيكي، ثم ثبت اللوح المائل بقطعة صلصال في الأسفل بحيث تمنع اللوح من الانزلاق.

6- استخدم الشريط المطاطي لشدّ الوزن ببطء نحو أعلى اللوح المائل. قم بقياس طول الشريط عند سحبه أو شدّه للثقل.

 

إن إحدى الطرق التي يمكنك من خلالها اختبار كفاءة السطح المائل الذي صنعته هي إعادة النشاط بعد أن تضع اللوح بزوايا ميل مختلفة. ابدأ بزاوية ميل صغيرة (في حدود 10^o إن أمكن)، ثم غير زاوية الميل تدريجياً إلى قيم أعلى وذلك بإدارة اللوح باتجاه حركة عقارب الساعة.

ولكل زاوية قس طول قطعة المطاط المشدودة.

استخدم المنقلة لقياس زاوية الميل.

 

ارسم جدولاً بيانياً تبين فيه زوايا السطح المائل مقابل طول قطعة المطاط المشدودة، وسيبين لك الجدول القوة المطلوبة لرفع الحمولة لكل زاوية. وكلما كان الشريط أكثر طولاً كانت القوة أكبر.

وسيكون باستطاعتك أن ترفع الحمولة بقوة أقل إذا استطعت أن تحد من عامل الاحتكاك بين السطح المائل والحمولة المُطبقّة عليه. حاول أن تستخدم مواد مختلفة كي تقلل من الاحتكاك.

تستطيع مثلاً أن تقوم برش الملح أو البودرة أو الزيت على السطح.

قم بقياس طول الشريط المطاطي أثناء شدّك للحمولة على سطح المواد الأقل احتكاكاً.

 

وهناك طريقة أخرى لتقليل الاحتكاك تتمثل في استخدام العجلات. استخدم مصاصات الشراب بعد قصها إلى أطوال تبلغ بوصتين (5 سم) لاستعمالها كعجلات دحرجة.

ضع مصاصات الشراب بين قطعة الورق المقوى والسطح المائل ثم ضع الحمولة على قطعة الورق المقوى وشدّها إلى أعلى السطح المائل كما فعلت من قبل. ارسم أيضاً جدولاً بيانياً لتسجيل النتائج التي توصلت إليها.

جرب استخدام العجلات المتدحرجة المصنوعة من مواد أخرى. يتم رفع الأوزان الثقيلة أحياناً بمساعدة وزن آخر يُسمى الثِقَل المعاكس.

 

تستخدم المصاعد عادة ثِقَلاً معاكساً مربوطاً بالطرف الآخر لكيبل  الرفع. وعندما يتحرك المصعد نحو الأعلى، يتحرك الثِقَل المعاكس نحو الأسفل.

باستطاعتك استخدام ثِقَل معاكسٍ في هذا النشاط وذلك بتثبيت علبة أفلام ثانية مملوءة بأثقال بالطرف المعاكس للشريط المطاطي. اجعل الثِقَل المعاكس يتدلى فوق الجهة الخلفية للكتاب. ضع ظهر الكتاب فوق حافة الطاولة بحيث يستطيع الثِقَل المعاكس السقوط، ثم ارسم جداول بيانية تبين مقدار الشدّ في كل زاوية من زوايا السطح المائل كما فعلت من قبل.

 

نصائح للسلامة

إذا لم يكن لديك ثقابة اطلب من أحد الكبار أن يصنع لك ثقباً في غطاء العلبة.

 

سطح دائري

يستخدم البرغي شكلاً من أشكال السطوح المائلة كي يستطيع الدخول في الخشب. ومن الصعوبة بمكان إقحام أو دفع قطعة معدنية إلى داخل الخشب مباشرة، لذلك فإن البرغي يحوي أسناناً دائرية ملولبة صُممت كي تشق طريقها بشكل دائري إلى داخل الخشب. 

فعندما يقوم الشخص بفتل البرغي باستخدام مفك البراغي تعمل الأسنان الملولبة عمل السطح المائل، حيث يندفع البرغي إلى داخل الخشب بقوة أكبر من مجرد تدويره.

 

استكشاف الأخطاء وتصحيحها

ما العمل لو أن قطعة المطاط لم تمط بما يكفي لقياسها؟

إن بعض أنواع المطاط غير قابل للمط الشديد. إذا لم تكن قطعتك المطاطية من النوع الذي يمط كثيراً حاول أن تستخدم طوقاً أو حلقة مطاطية بدلاً منها.

اقطع الطوق أو حلقة المطاط بحيث يصبح عبارة عن شريط مطاطي طويل، ولكي تمنعه من الانزلاق عبر غطاء العلبة نحو الخارج اربط أحد طرفي الشريط بأحد عيدان تنظيف الأسنان ثم أدخل الطرف الثاني في ثقب غطاء العلبة.

 

– تحليل النشاط:  لابدّ أنك اكتشفت من خلال هذا النشاط أن دفع أو شدّ جسم ما على سطح مائل يتطلب قوة أو جهداً أقل من القيام برفع هذا الجسم مباشرة نحو الأعلى.

ويسمى توفير الشغل الذي حصلت عليه من استخدامك للسطح المائل بمصطلع الفائدة الميكانيكية. وبصورة عامة، كلما كان السطح المائل أكثر طولاً قلّ الشغل المطلوب لنقل جسم ما إلى أعلى ذلك السطح، وكانت الفائدة الميكانيكية التي تكتسبها أكبر.

أما الجانب السلبي لاستخدام السطوح المائلة فهو أنها تستغرق وقتاً أطول لنقل الجسم لأنك تضطر إلى تحريك الجسم عبر مسافة أطول. ولكن إذا كان الجسم المراد نقله ثقيلاً جداً بما يجعل رفعه بشكل عمودي أمراً صعباً فإن السطح المائل يُعدّ بديلاً جيداً. عليك أن تتذكر ذلك في المرة القادمة التي ستنقل خلالها جسماً ثقيلاً.

 

بإمكانك أن تجد هذه السطوح المائلة في أماكن غير متوقعة، فالسحّاب يعمل من خلال دفع صفّين من الأسنان التي تتراكب مع بعضها كي تثبت بشكل قوي. ويوجد داخل الجزء المنزلق (الجزء المتحرك نحو الأعلى والأسفل) وتد على شكل مثلث.

وكي نثبت السحّاب، تتحرك الأسنان نحو الأسفل على جانبي الوتد وتندفع نحو بعضها. ويعمل الوتد كسطحين مائلين يلتقيان في إحدى نهايتهما. ولكي نفك السحّاب، يقوم وتد آخر بمباعدة الأسنان عن بعضها عندما يتحرك الجسم المنزلق في الاتجاه المعاكس.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]