مفاهیم کلیدی: فیزیک، حرکت، نیروی جاذبه، مقاومت، زاویه
مشاهده‌ي علمي شماره ۱۲۳
مقدمه:
آیا تا به حال به پاس بلند یک فوتبالیست یا پرتاب توپ توسط یک بازیکن بیس‌بال دقت کرده‌اید؟ در این فعالیت‌ها بازیکن تلاش می‌کند توپ را به بلندترین شکل پرتاب یا شوت کند. این پرتاب‌ها و شوت‌ها از یک مقوله‌ی علمی نشأت می‌گیرند. گاهی تنها زاویهی پرتاب تأثیر به‌سزایی در نتیجه خواهد داشت. این زاویهی پرتاب می‌تواند روی میزان مسافتی که توپ طی می‌کند تأثیر بگذارد. برای بلندتر پرتاب کردن، زاویهی کم و تقریباً موازی با زمین مناسب است یا زاویهی تند و عمودی؟ این فعالیت علمی را انجام دهید تا در این باره بیشتر بیاموزید.
پیش‌زمینه:
جسمی که به هوا پرتاب می‌شود پرتابه نام دارد. مطالعه‌ی نحوه‌ی حرکت یک پرتابه در هوا در حوزه‌ی حرکت پرتابی صورت می-گیرد. جسمی که پرتاب می‌شود یک سرعت اولیه دارد (سرعت و جهت حرکت). با این وجود زمانی که پرتابه در هوا حرکت می‌کند تحت تأثیر نیروی گرانش قرار می‌گیرد و به سمت پایین کشیده می‌شود. سرعت حرکت پرتابه همچنین تحت تأثیر مقاومت هوا کاهش می‌یابد.
اگر مقاومت هوا ناچیز باشد پرتابه به شکل سهمی که یکی از منحنی‌های ریاضی است در هوا حرکت می‌کند. (می‌توانید برای اطلاعات بیشتر درمورد سهمی در اینترنت جستجو کنید.) مسیری که یک توپ در حرکت پرتابی طی می‌کند میزان مسافت توپ قبل از برخورد به زمین را تعیین خواهد کرد. تنظیم زاویهی پرتاب و ثابت نگه داشتن سرعت اولیه یکی از روش‌ها به منظور پیدا کردن بهترین زاویه برای طی بیشترین مسافت است. در این آزمایش شما یک توپ را با نهایت قدرتی که می‌توانید در زوایای مختلف نسبت به زمین پرتاب خواهید کرد. به نظر شما توپ با چه زاویه‌ای بیشترین مسافت را طی خواهد نمود؟
مواد و وسایل لازم:
یک توپ ورزشی (توپ بیس‌بال، تنیس، فوتبال و ...)
یک محوطه‌ی بزرگ مناسب برای پرتاب توپ
سه دسته‌ی سه تایی جسم مختلف برای علامت‌گذاری نقاط برخورد توپ با زمین (بعنوان مثال سه تکه چوب، سه سنگ و سه توپ گلف)
یک همراه برای کمک
آماده‌سازی:
برای انجام این فعالیت حتماً باید در محوطه‌ای باز و وسیع باشید. همچنین مراقب باشید توپ حین پرتاب به کسی برخورد نکند.
قبل از شروع آزمایش بدن خود را گرم کنید چرا که این آزمایش شامل فعالیت بدنی است.
در یک نقطه از محوطه‌ی باز بایستید. زمین را در این نقطه علامت‌گذاری کنید تا نقطه‌ی پرتاب را به طور دقیق بدانید؛ تمام پرتاب‌ها را از این نقطه انجام دهید.
یک جهت برای پرتاب توپ خود انتخاب کنید. (اگر باد می‌وزد توپ را در جهتی سازگار با جهت وزش باد پرتاب کنید.)
به نظر شما پرتاب توپ با چه زاویه‌ای بیشترین فاصله را نتیجه می‌دهد؟
روش کار:
توپ را با تمام قدرت با زاویه‌ای بسیار کم با زمین و تقریباً موازی با سطح آن پرتاب کنید. اگر با اندازه‌گیری درجه آشنا هستید، سعی کنید توپ را با زاویهی ۱۵ درجه از سطح زمین پرتاب کنید. به نظر شما این نوع پرتاب‌ها با زاویهی کم در چه مواردی کاربرد دارند؟
از همراه خود بخواهید محل فرود توپ را علامت‌گذاری کند. (مثلاً با یک سنگ)
توپ را دو مرتبه‌ی دیگر با همین زاویه و قدرت پرتاب کنید. سعی کنید سرعت اولیه‌ی پرتاب را در تمام این دفعات ثابت نگه دارید. در این دو مرتبه نیز از همراه خود بخواهید محل برخورد توپ با زمین را علامت‌گذاری کند. به نظر شما حداقل سه مرتبه انجام دادن هر پرتاب چه اهمیتی دارد؟
حال همین مراحل را با زاویه‌ای متوسط (بیرون و به سمت بالا) در حدود ۴۵ درجه انجام دهید. به خاطر داشته باشید که سرعت اولیه‌ی پرتاب در هر سه مرتبه باید یکسان باشد. محل برخورد توپ در این سه پرتاب را با گروه دوم از اجسامی که انتخاب کردید علامت‌گذاری کنید. در این حالت میزان مسافتی که توپ طی کرده است در مقایسه با حالت اول بیشتر است یا کمتر؟
حال مراحل قبل را برای زاویهی تند (به سمت بالا و البته کمی به سمت جلو) در حدود ۷۵ درجه انجام دهید. به نظر شما در این حالت توپ کجا فرود خواهد آمد؟ سرعت اولیه‌ی پرتاب باید بیشترین حد ممکن و در هر سه مرتبه یکسان باشد. با گروه سوم از اجسامی که انتخاب کردید محل برخورد توپ با زمین در این سه مرتبه پرتاب را علامت‌گذاری کنید.
با نگاه کردن به محل برخورد توپ در این آزمایش نتایج خود را بررسی کنید. در کدام پرتاب توپ طولانی‌ترین مسافت را طی کرده است؟ به نظرتان بهترین زاویه برای طی بیشترین مسافت توسط توپ چقدر است؟
آزمایش‌های تکمیلی:
این آزمایش را با استفاده از توپ‌های دیگر انجام دهید. به نظر شما ابعاد، وزن و شکل توپ چه تأثیری بر روی بهترین زاویهی پرتاب دارد؟ آیا نتایج این آزمایش‌ها با آزمایش قبل یکسان است؟
آزمایش را یک بار دیگر انجام دهید و این بار به جای پرتاب توپ با پا به آن ضربه بزنید. به نظر شما در این حالت نتایج یکسانی در زوایای مختلف به دست خواهد آمد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در اغلب موارد باید مشاهده کرده باشید که زاویهی متوسط ۴۵ درجه منجر به طی بیشترین مسافت توسط توپ می‌شود. در حالتی که توپ را با زاویه‌ای کم پرتاب می‌کنید جاذبه‌ی زمین آن را به سمت پایین می‌کشد و از آنجا که فاصله‌ی زمین با توپ کمتر است، توپ زودتر به زمین برخورد می‌کند و مسافت زیادی به سمت جلو طی نمی‌کند. زمانی که توپ را با شیب تند و به بالا پرتاب می‌کنید، بیشتر سرعت آن به سمت بالاست نه به جلو. درنتیجه مسافت زیادی را طی نمی‌کند.
البته بسته به نوع توپ و میزان مقاومت هوا ممکن است نتایج متفاوتی حاصل شود. توپی که مقاومت هوای آن بالا باشد، چنانچه مدت زیادی در هوا باشد سرعتش به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. در نتیجه در این حالت ممکن است پرتاب آن با زاویهی کم (تقریباً موازی با سطح زمین) نتیجه‌ی بهتری بدهد.
منبع:
Physics of Baseball: How far can you throw?
منابع مفيد:
بخش فيزيک فعاليت‌هاي علمي
حرکت پرتابي
How curl you a free kick? (اين عنوان مطلب به شيوه‌ي ديگري مرتبط با مقاله‌ي بالاست)