دما چه تأثیری بر مواد لاستیکی می‌گذارد؟
واژه‌هاي کليدي: انبساط گرمايي، فيزيک گرما، نيرو
مشاهده‌ي علمي شماره ۱۲۰
مفاهیم کلیدی: فیزیک، گرما، مولکول، نیرو
مقدمه:
آیا تا به حال به این نکته دقت کرده‌اید که برخی اجسام در اثر گرما منبسط و در اثر سرما منقبض می‌شوند؟ بعنوان مثال، برای راحت‌تر باز کردن در یک شیشه‌ی مربا می‌توانید آن را زیر آب گرم بگیرید تا گرما باعث انبساط در شیشه شود. آیا این اثر در تمام مواد یکسان است؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا بیشتر در این مورد بیاموزید!
پیش‌زمینه:
مواد از اتم‌ها و مولکول‌ها ساخته شده‌اند. (مولکول‌ها گروهی از اتم‌ها هستند که بین‌شان پیوند وجود دارد.) اگرچه با چشم غیر مسلح قابل تشخیص نیست، این مولکول‌ها به طور پیوسته در حال ارتعاش و برخورد به هم هستند. به طور معمول با گرم شدن یک ماده مولکول‌های آن با شدت بیشتری ارتعاش می‌کنند. به دلیل برخورد محکم‌تر مولکول‌ها در اثر این ارتعاشات، ماده کمی منبسط می‌شود. این پدیده انبساط حرارتی نام دارد که دلیل ایجاد بسیاری از ترک‌هایی است که در خیابان‌ها و پیاده‌روها می‌بینیم. با کاهش دما از بسیار داغ به بسیار سرد و برعکس با تغییر فصل‌ها، مواد دچار انبساط و انقباض‌هایی پی‌درپی می‌شوند که در نهایت منجر به ترک خوردن آنها می‌شود. اما کش‌های لاستیکی رفتاری متفاوت با اکثر مواد دارند. این رفتار خاص به دلیل ساختار مولکولی متفاوت آنهاست. لاستیک‌ها از زنجیرهایی بسیار طولانی از مولکول‌ها که در هم گره خورده‌اند تشکیل شده‌اند. این زنجیرهای بسیار بلند پلیمر نام دارند که تحت افزایش یا کاهش دما رفتارهایی بسیار جالب از خود نشان می‌دهند. در این فعالیت علمی شما دمای یک کش لاستیکی را با استفاده از آب داغ و آب سرد تغییر خواهید داد. به نظر شما یک ماده از جنس لاستیک با افزایش دما منبسط می‌شود یا منقبض؟
|
 
|
مواد و وسایل لازم:
بطری نوشابه‌ی دو لیتری
ماژیک
قیچی
مداد
یک کش لاستیکی نازک و کوچک
۲۰ تا ۲۵ عدد سکه
نوار چسب
گیره‌ی کاغذ
آب داغ
چند تکه یخ
یک کاسه‌ی کم عمق
یک محیط کار که بتوان به راحتی بعد از انجام آزمایش آن را تمیز کرد.
حوله
آماده‌سازی:
حتماً جایی این آزمایش را انجام دهید که بتوانید بعد از آن قطره‌های آب ریخته شده را تمیز کنید، مانند آشپزخانه
برای بریدن بطری نوشابه و کار با آب داغ حتماً از یک بزرگتر کمک بگیرید.
روش کار:
از یک بزرگتر بخواهید تا با قیچی بالای بطری نوشابه را ببرد تا بطری به شکل یک استوانه دربیاید.
اگر لبه‌ی تیزی در محل برش وجود دارد، آن را با چسب بپوشانید.
با کمک یک بزرگتر حدود یک اینچ پایین‌تر از لبه‌ی ظرف، در دو طرف مخالف دو سوراخ به اندازه‌ای که یک مداد از آنها رد شود با استفاده از قیچی ایجاد کنید.
مداد را از یکی از سوراخ‌ها به داخل بطری فرو کنید.
کش لاستیکی کوچک خود را دور مداد بپیچید.
حال مداد را بیشتر فشار دهید تا یک سر آن از سوراخ دوم خارج شود.
حدود ۲۰ عدد سکه را با نوار چسب به هم بچسبانید. سپس با استفاده از گیره‌ی کاغذ این سکه‌ها را از کش لاستیکی آویزان کنید. به نظر شما این کش لاستیکی وزن چند سکه را می‌تواند به راحتی تحمل کند؟ تعداد دقیق سکه‌هایی که لازم دارید بستگی به اندازه و قدرت کش لاستیکی‌تان دارد. تعداد سکه‌ها باید به اندازه‌ای باشد که باعث شود لاستیک کش بیاید؛ اما نباید سکه‌ها آنقدر زیاد باشند که بیش از حد کش بیاید و به کف بطری برخورد کند. اگر کش لاستیکی‌تان محکم باشد به تعداد سکه‌های بیشتری نیاز دارید؛ درصورتیکه اگر کشی که استفاده می‌کنید ضعیف‌تر باشد به تعداد کمتری سکه نیاز خواهید داشت. می‌توانید برای راحتی کار سکه‌ها را به جای یک ستون بیست تایی، در دو ستون ده تایی کنار هم قرار دهید یا آنها را به چهار ستون پنج تایی تقسیم کنید.
بطری دو لیتری خود را در یک کاسه‌ی کم عمق قرار دهید تا از ریختن آب در جاهای دیگر جلوگیری شود.
بطری را تا جایی که مداد قرار دارد با آب داغ پر کنید به طوری که کش لاستیکی کاملاً داخل آب قرار بگیرد.
یک یا دو دقیقه صبر کنید تا کش لاستیکی با محیط جدید خود هم‌دما شود.
فکر می‌کنید چه اتفاقی برای کش لاستیکی می‌افتد، منقبض می‌شود یا منبسط؟
بطری را از بغل نگاه کنید به طوری که چشمانتان هم سطح با انتهای کش لاستیکی باشد. با ماژیک این نقطه را روی بطری علامت‌گذاری کنید و کنار آن بنویسید: "داغ"
حال مقداری یخ داخل بطری بیندازید و آب داخلش را به آرامی هم بزنید. اضافه کردن یخ باعث می‌شود آب در بطری بالاتر بیاید درنتیجه مقداری آب از سوراخ‌های بدنه‌ی بطری بیرون خواهد ریخت.
اگر آب داخل بطری از مرحله‌ی قبل هنوز داغ مانده باشد، یخ‌ها به سرعت ذوب خواهند شد. در این صورت یخ بیشتری به بطری اضافه کنید و هم زدن آهسته را ادامه دهید تا آب به طور کامل سرد شود. فکر می‌کنید در اثر سرد شدن آب، طول کش لاستیکی چه تغییری می‌کند؟
حال مجدداً از بغل به بطری نگاه کنید. محل انتهای کش لاستیکی را روی بطری با ماژیک علامت بزنید و کنار آن بنویسید: "سرد" - علامت سرد بالاتر از علامت داغ قرار دارد یا پایین‌تر از آن؟ آیا نتایجی که مشاهده می‌کنید طبق انتظارتان بوده است؟
آزمایش‌های تکمیلی:
می‌توانید این آزمایش‌ها را با استفاده از یک دماسنج برای اندازه‌گیری دمای آب و یک خط‌کش برای اندازه‌گیری طول کش لاستیکی به صورت کمّی انجام دهید. اگر این آزمایش را در چند دمای مختلف مثلاً دمای بسیار بالا، دمای اتاق و دمای بسیار پایین انجام دهید، می‌توانید از نتایج خود یک منحنی رسم کنید.
از روش‌های دیگر به غیر از استفاده از آب سرد و گرم برای تغییر دما استفاده کنید. بعنوان مثال آب بطری را خالی کنید، سپس با استفاده از یک سشوار کش لاستیکی را گرم کنید. برای سرد کردن آن نیز می‌توانید بطری بدون آب را به مدت نیم ساعت داخل یخچال بگذارید. آیا در این حالات نتایجی که به دست می‌آورید با نتایج قبلی یکسان است؟
این آزمایش را روی کش‌های لاستیکی مختلف انجام دهید. آیا میزان انبساط و انقباض آنها با هم متفاوت است؟ فکر می‌کنید دلیل این تفاوت چه باشد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
حتماً نتایجی که به دست آورده‌اید برایتان عجیب بوده است. کش لاستیکی با کاهش دما منبسط می‌شود! درحالیکه اکثر مواد با افزایش دما منبسط و با کاهش آن منقبض می‌شوند. این اتفاق عجیب به دلیل ساختار خاص زنجیرهای پلیمری یک لاستیک است. با گرم شدن ماده این زنجیرهای طولانی مرتعش و جمع‌تر می‌شوند و ماده منقبض می‌شود. درحالیکه با کاهش دما ارتعاشات آنها کم می‌شود، زنجیرها در حالت استراحت قرار می‌گیرند و طولشان افزایش می‌یابد؛ که در نتیجه‌ی آن ماده منبسط می‌شود. برای تصور بهتر این موضوع، یک طناب یا کابل نسبتاً کوتاه را بردارید. (طول آن باید به قدری باشد که وقتی یک سر آن را در دست می‌گیرید سر دیگرش به زمین نخورد.) طناب را طوری در دست بگیرید که به آرامی و بدون لرزش آویزان بماند. انتهای آن چقدر با زمین فاصله دارد؟ حال دست خود را به سرعت عقب و جلو کنید تا طناب شروع به لرزش کند. با این کار انتهای طناب از زمین دور می‌شود یا به آن نزدیک‌تر می‌شود؟ با ایجاد ارتعاش طناب جمع می‌شود و بالا می‌آید. همین اتفاق در زنجیرهای پلیمری نیز رخ می‌دهد: با افزایش دما زنجیرها مرتعش می‌شوند و طول آنها کاهش می‌یابد.
تمیز کردن:
می‌توانید آبی را که برای انجام آزمایش استفاده کردید داخل سینک بریزید یا از آن برای آبیاری گیاهان استفاده کنید. مداد را از داخل بطری دربیاورید و بطری را به همراه سایر ظروف پلاستیکی به مراکز بازیافت تحویل دهید.
منبع:
Stretch it!
منابغ مفيد:
- دانشنامه پليمر
پليمر چيست؟
انبساط گرمايي- آزمايش با عدد در سايت HyperPhysics