مفاهیم کلیدی: فیزیک، ماشین ساده، گُوِه، فشار هوا
مشاهده علمی ۲۰۲
مقدمه:
این بار قصد داریم فعالیتی بسیار جالب و خاص با هم انجام دهیم. یک سیب‌زمینی و یک نی آشامیدنی و اگر خواستید یک مداد بردارید و با دوستان خود رقابتی برگزار کنید: چه کسی می‌تواند با کمترین تلاش سیب‌زمینی را سوراخ کند؟ احتمال یافتن راهی برای انجام آسان این کار بسیار کم است و بهترین روش برای انجام این کار همه را متعجب خواهد کرد! برای یادگیری این روش فعالیت زیر را با هم انجام می‌دهیم.
پیش‌زمینه:
بدن انسان مجهز به مجموعه‌ای شگفت‌انگیز از ابزار مانند انگشت، دندان، بازو و غیره است. با این وجود گاهی این ابزار برای انجام برخی کارها کافی نیستند. به همین دلیل برای آسان‌تر شدن کارها و افزایش توانایی، از ابزار دیگر استفاده می‌کنیم. وسایلی همچون قیچی، چاقو، منجنیق و پیچ را تصور کنید، این‌ها هم به ما در انجام کارهای مختلف کمک می‌کنند. دانشمندان به این ابزار ماشین‌های ساده می‌گویند. گُوِه یکی از این موارد است. این وسیله دارای دو سطح است. یک انتهای آن ضخیم است (مانند پشت تبر یا بالای سوزن)، و هرچه به سر دیگر نزدیک می‌شویم ضخامت کمتر می‌شود و به یک تیزی می‌رسد (مانند تیغه‌ی تبر یا نوک سوزن).
 |
گُوِه‌ها برای جدا کردن دو جسم از هم، نصف کردن یک جسم، در کنار هم نگه داشتن اجسام و یا جلوگیری از حرکت آنها به کار می‌رود. از نمونه‌های گُوِه می‌توان به میخ، چاقو و سوزن منگنه اشاره کرد. گُوِه‌ها تمام نیروی وارد شده به انتهای ضخیم را در سطح کوچکتر و یا سر تیز خود متمرکز می‌کنند. نتیجه واضح است: برای انجام کاری مشخص با استفاده از گُوِه نیروی کمتری لازم است. می‌توانید این موضوع را با استفاده از یک چاقو بررسی کنید. چاقو را در یک تکه پنیر فرو ببرید. سپس چاقو را بچرخانید و سعی کنید آن را از دسته وارد تکه‌ی پنیر کنید. انجام این کار در کدام حالت آسان‌تر است؟
گُوِه یکی از شش ماشین ساده‌ی شناخته شده است. پنج مورد دیگر شامل قرقره، اهرم، چرخ، سطح شیب‌دار و پیچ هستند. این ماشین‌ها به نظر بسیار ساده هستند اما کاربردهای بسیار و بعضی مواقع عجیب دارند.
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک سیب‌زمینی حداقل با ضخامت یک اینچ (بهتر است سیب‌زمینی تازه و سفت باشد.)
تخته‌ی آشپزخانه
چاقو برای بریدن سیب‌زمینی (برای استفاده از آن حتماً از یک بزرگتر کمک بگیرید.)
نی آشامیدنی به تعداد روش‌هایی که امتحان خواهید کرد. (قسمت‌های خم شونده‌ی نی را قبل از شروع کار جدا کنید.)
یک مداد با نوک تیز که انتهای آن صاف باشد.
آماده‌سازی:
از بزرگتر خود بخواهید سیب‌زمینی را طوری ببرد تا حداقل یک تکه با ضخامت حدودی یک اینچ داشته باشید.
تکه یا تکه‌های سیب‌زمینی را روی تخته‌ی آشپزخانه قرار دهید.
هدف در این فعالیت علمی ایجاد سوراخ‌هایی با ابعاد نی آشامیدنی یا مداد داخل تکه‌ی سیب‌زمینی است. با توجه به وسایل مورد نیاز در این آزمایش چه روشی به ذهنتان می‌رسد؟ علاوه بر روش‌هایی که خودتان پیشنهاد می‌دهید، در ادامه هشت روش را بیان خواهیم کرد که می-توانید آنها را امتحان و نتیجه‌ی کار را بررسی کنید.
به منظور انجام این فعالیت با روشی علمی بهتر است به این نکات توجه کنید:
۱. همیشه قبل از آزمایش یک روش، فرضیه یا حدسی از آن برای خود ترتیب بدهید. می‌توانید این کار را با تکمیل این جملات در مورد هر روش انجام دهید: اگر من ... (در اینجا کاری که می‌خواهید انجام دهید را توضیح دهید)، انتظار دارم ... (آنچه که انتظار دارید مشاهده کنید را شرح دهید)؛ زیرا ... (دلیل اتفاق احتمالی را بیان کنید).
۲. برای هر روش از یک نی جدید استفاده کنید، زیرا ممکن است در حین انجام کار نی‌ها خراب شوند. به همین دلیل برای بررسی روش‌ها در شرایط یکسان باید هر بار از یک نی جدید استفاده کنید.
۳. پس از انجام هر روش کمی زمان به بررسی آن اختصاص دهید. فرضیه‌ی شما در مورد این روش درست بوده است؟ چرا این اتفاق رخ داده است؟ آیا از این مشاهدات چیزی آموختید؟
۴. برای رعایت ایمنی، تکه‌های سیب‌زمینی را در حین انجام آزمایش حتماً روی تخته‌ی آشپزخانه بگذارید.
روش کار:
روش چرخاندن نی: نی را از سه چهارم طول در بالای آن بگیرید و سعی کنید آن را بچرخانید. اگر در مورد تیز بودن لبه‌ی نی شک دارید انگشتان خود را روی آن بکشید. آیا لبه‌ی نی تیز به نظر می‌رسد؟ فکر می‌کنید می‌توان با نی سیب‌زمینی را برید؟ فرضیه‌ای برای خود ترتیب دهید و آزمایش را انجام دهید. نتایج چگونه است؟
روش چرخاندن انتهای صاف مداد: مداد را از سه چهارم طول در بالای آن بگیرید و سعی کنید انتهای صاف مداد را با چرخش در سیب‌زمینی فرو کنید. به نظرتان این روش مناسب است؟ فرضیه‌ای برای خود ترتیب دهید، آزمایش را انجام دهید و نتایج را بررسی کنید.
روش چرخاندن سر تیز مداد: مداد را برگردانید، آن را از سه چهارم طول با دست نگه دارید و سعی کنید با چرخش نوک تیز مداد را در سیب‌زمینی فرو کنید. این بار در مقایسه با روش قبل کار آسان‌تر است یا سخت‌تر؟ این بار نیز فرضیه‌ای ترتیب دهید و با انجام آزمایش آن را بررسی کنید.
آیا روش چرخاندن نتیجه‌بخش بود؟ اکنون نوبت به روش‌های فشاری رسیده است.
روش فشار دادن نی: نی آشامیدنی را از سه چهارم طول نگه دارید و سعی کنید با فشار دادن آن را در تکه‌ی سیب‌زمینی فرو کنید. آیا سیب‌زمنی سوراخ می‌شود؟ فرضیه‌ای در این مورد ترتیب دهید و با انجام آزمایش آن را بررسی کنید. با بررسی این روش چه آموخته‌اید؟ چه اتفاقی برای نی آشامیدنی تحت فشار دست شما رخ داد؟
روش فشار دادن انتهای صاف مداد: روش قبل را با انتهای صاف مداد تکرار کنید.
روش فشار دادن نوک تیز مداد: روش قبل را با نوک تیز مداد انجام دهید.
روش فشار دادن نی آشامیدنی بسته: یک نی آشامیدنی جدید بردارید و آن را طوری با دست بگیرید که انگشت شستتان یک انتهای نی را ببندد. در همین حالت سر دیگر نی را داخل تکه‌ی سیب‌زمینی فشار دهید. همچنان قبل از انجام آزمایش فرضیه‌ی خود را آماده کنید و آن را با انجام روش مورد بررسی قرار دهید. پیش‌بینی شما در مورد این روش درست بود؟ دلیل مشاهدات خود را توضیح دهید.
روش فشار دادن یک نی تا شده: در حالی که نی را در دست گرفته-اید، انتهای آن را تا کنید و آن را طوری نگه دارید که هیچ هوایی از این سر نی خارج نشود. حال انتهای دیگر نی را در سیب‌زمینی فرو کنید. نتیجه چیست؟
روش‌های مورد آزمایش را مرور کنید. کدام روش‌ها موفقیت‌آمیز، کدام نسبتاً موفق اما دشوار و کدام ناموفق بوده‌اند؟ آیا روندی در نتایج خود مشاهده می‌کنید؟ آیا می‌توانید دلیل موفق یا ناموفق بودن روش‌ها را شرح دهید؟
آزمایش‌های تکمیلی:
این روش‌ها را روی میوه و سبزی‌های دیگر امتحان کنید. (حتماً برای این کار از بزرگتر خود اجازه بگیرید.)
آیا می‌توانید با روش‌های دیگر سوراخی در این ابعاد در سیب‌زمینی ایجاد کنید؟ وسایل دیگر را با اجازه گرفتن از بزرگتر خود امتحان کنید.
همانطور که در قسمت پیش‌زمینه توضیح داده شد، در روش‌های نتیجه-بخش برای این کار از ماشین ساده‌ای به نام گُوِه استفاده می‌شود. آیا می‌توانید مثال‌هایی از گُوِه در اطراف خود بیاورید؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
فشار دادن یک نی بسته در سیب‌زمینی بسیار آسان است. فشار دادن سر تیز مداد نیز تقریباً موفقیت‌آمیز است، اگرچه تلاش بیشتری در مقایسه با نی بسته لازم دارد. چرخاندن مداد هم دشوار و یا ناموفق خواهد بود.
لبه‌ی نی و سر تیز مداد گُوِه هستند. گُوِه‌ها کنار زدن گوشته‌ی سیب‌زمینی را آسان‌تر می‌کنند. علاوه بر آن شما از حرکت فشاری استفاده می‌کنید که بر خلاف چرخش که نیرویی تدریجی در طول زمان به جسم وارد می‌کند، نیروی وارد شده توسط آن لحظه‌ای است. گُوِه این نیروی لحظه‌ای را در یک سطح تماس بسیار کوچک (لبه‌ی نی یا نوک مداد) متمرکز می‌کند. این موضوع سبب می‌شود نی یا مداد داخل سیب‌زمینی فرو بروند.
نی بسته بسیار قوی‌تر از نی عادی است، دلیل آن را می‌دانید؟ با فشار دادن نی‌ای که انتهای آن را با انگشت شست بسته‌اید، هوا در نی حبس می‌شود. این هوا سبب سفتی نی می‌شود. هوای داخل نی به دیواره‌ها فشار می‌آورد و از تا خوردن نی جلوگیری می‌کند. هوا یک گاز است و گازها به راحتی فشرده می‌شوند. به همین دلیل گوشته‌ی سیب‌زمینی وارد نی می‌شود و در همین حال هوای داخل نی از تا خوردن نی جلوگیری می‌کند.
نی بسته بهتر از مداد نتیجه می‌دهد زیرا در مورد نی باید مقدار بسیار کمی از سیب‌زمینی جابه‌جا شود تا فضا برای ورود نی مناسب باشد. در مقابل برای مداد لازم است مقدار سیب‌زمینی بیشتری جابه‌جا شود که کار را دشوارتر می‌کند.
تمیز کردن:
سیب‌زمینی و نی‌ها را در سطل زباله‌های مخصوص به خود بیندازید. وسایل مورد استفاده در این آزمایش را نیز در انتهای کار تمیز کنید.
منبع:
A Simple Machine to Make Potato Holes (Scientific American)
منابع مفید:
منجنیق
اصل پاسکال
قوطی مچاله
انواع اهرم‌ها
گُوِه - ویکی پدیا
Simple Machines