مفاهیم کلیدی: انرژی، جاذبه‌ی زمین، فیزیک، ورزش
مشاهده‌ي علمي ۱۳۷
مقدمه:
بسکتبال رشته‌ی ورزشی سنگینی است. بازیکنان بسکتبال باید در حین دویدن در مناطق مختلف زمین توپ را نیز با مهارت دریبل کنند. سختی کار در نحوه‌ی برگشت توپ بسکتبال پس از برخورد با زمین است. زمانی که توپ به زمین برخورد می‌کند، در برگشت مقداری از تکانه‌ي خود را به دلیل تبدیل انرژی آن به انواعی دیگر از دست می‌دهد. این بدان معناست که برای نگه داشتن توپ در ارتفاعی خاص، بازیکن باید به طور مداوم به توپ انرژی وارد کند تا انرژی از دست رفته جبران شود. در این فعالیت علمی شما در مورد میزان ارتفاع توپ در برگشت از برخورد با سطوح مختلف در مقایسه با ارتفاعی که از آن پرتاب می‌شود تحقیق خواهید کرد. توپ بسکتبال با برخورد به چه سطحی بیشترین ارتفاع را در برگشت دارد؟ یک توپ بسکتبال بردارید و با انجام فعالیت زیر پاسخ این سوال را بیابید.
پیش‌زمینه:
بسکتبال ورزشی بسیار سنگین است و قسمت مهمی از این سنگینی مربوط به دریبل کردن توپ است. دلیل آن چیست؟ زمانی که توپ بسکتبال به زمین می‌خورد (در حین اینکه در هوا حرکت می‌کند) مقداری از انرژی خود را به شکل دیگر تبدیل می‌کند. اگر بازیکنان مقدار لازم انرژی را به طور مداوم به توپ وارد نکنند، دریبل کردن توپ کاری غیر ممکن خواهد بود.
زمانی که یک توپ بسکتبال پرتاب می‌شود، دو نوع مختلف انرژی دارد: انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل. جسم به دلیل حرکت دارای انرژی جنبشی است. انرژی پتانسیل نیز انرژی ذخیره شده در جسم است، یعنی انرژی بالقوه‌ی آن برای حرکت، برای مثال به دلیل ارتفاع جسم از زمین. زمانی که توپ بسکتبال را در دستان خود نگه می‌دارید، مقداری انرژی پتانسیل دارد. اگر توپ بسکتبال را رها کنید، نیروی گرانش آن را به سمت پایین می‌کشد و در حین حرکت توپ به سمت پایین، انرژی پتانسیل آن به جنبشی تبدیل می‌شود. با برخورد توپ به زمین، بخشی از انرژی جنبشی آن تبدیل به صدا و گرما، بخشی از آن سبب تغییر جزیی در شکل توپ (صاف شدن آن) و بخشی دیگر نیز توسط سطح جذب می‌شود.
مواد و وسایل مورد نیاز:
حداقل دو سطح مختلف برای رها کردن توپ بسکتبال روی آنها، یکی با جنس سخت و دیگری با جنس نرم (برای مثال می-توانید در سطحی که روی آن فرش یا چمن است و یک زمین بسکتبال این فعالیت را انجام دهید. این سطوح باید صاف و بدون پستی و بلندی و در کنار دیوار یا یک سطح بزرگ عمودی باشند.)
متر اندازه‌گیری
نوار چسب
توپ بسکتبال
یک همراه برای کمک
دوربین فیلم‌برداری و یک کامپیوتر یا صفحهی نمایش بزرگ برای مشاهده‌ی فیلمی که ضبط می‌کنید. (اختیاری)
آماده‌سازی:
دیوار یا سطح عمودی کنار محل آزمایش خود را طوری آماده کنید که بتوانید ارتفاع برگشت توپ بسکتبال را روی آن اندازه بگیرید. برای این کار با استفاده از یک متر اندازه‌گیری و نوار چسب از پایین به بالا هر هشت اینچ را روی دیوار علامت‌گذاری کنید و این کار را تا چهل اینچ ادامه دهید. به این ترتیب روی هر دیوار هشت علامت خواهید داشت.
اگر از دوربین فیلم‌برداری در آزمایش خود استفاده می‌کنید، از همراه خود بخواهید محل آن را طوری تنظیم کند که سطح آزمایش و تمام علامت‌های روی دیوار در دید دوربین قرار بگیرند. در زمان شروع آزمایش از همراه خود بخواهید دوربین را روشن کند و از آزمایش فیلم‌برداری کند.
اگر در آزمایش خود از دوربین فیلم‌برداری استفاده نمی‌کنید، از همراه خود بخواهید در جایی مستقر شود و میزان ارتفاع توپ بسکتبال در برگشت از هر برخورد به زمین را اندازه بگیرد.
روش کار:
توپ بسکتبال را طوری در دستانتان بگیرید که قسمت زیرین آن مطابق با بالاترین علامتی که روی دیوار زده‌اید باشد.
توپ را از آنجا رها کنید. (آن را پرتاب نکنید.)
اجازه دهید توپ پس از برخورد به زمین بالا بیاید و برای بار دوم به زمین بخورد. سپس آن را با دست بگیرید و اگر در حال فیلم‌برداری هستید ضبط فیلم را متوقف کنید. طبق نظر همراهتان توپ پس از اولین برخورد با زمین تا چه ارتفاعی بالا می‌آید؟
در همین شرایط توپ را چند مرتبه‌ی دیگر رها کنید تا مقداری میانگین از ارتفاع توپ در برگشت از برخورد اول داشته باشید.
این مراحل را روی سطوح دیگری که قصد دارید آزمایش کنید انجام دهید. توپ بسکتبال روی این سطوح در مقایسه با سطح اول پس از برخورد با زمین تا چه ارتفاعی بالا می‌آید؟ به نظر شما چرا این اتفاق می‌افتد؟
نکته:
اگر قصد دارید توپ را روی سطحی با دمای متفاوت (مثلاً سطحی بتُنی در هوای بسیار سرد) آزمایش کنید، سعی کنید کار خود را بسیار سریع انجام دهید تا دمای توپ تغییر نکند. تغییر دما در توپ می‌تواند در نحوه‌ی بالا آمدن آن پس از برخورد به زمین تأثیر بگذارد.
اگر از آزمایش خود فیلم‌برداری کرده‌اید، آن را تماشا کنید تا به طور دقیق ارتفاع توپ در برگشت از برخورد با سطوح مختلف را اندازه بگیرید.
آزمایش‌های تکمیلی:
می‌توانید نتایج آزمایش‌های خود را به صورت کمّی به دست بیاورید. برای این منظور باید ویدیوهای ضبط شده از آزمایش خود را به دقت در یک صفحهی نمایش بزرگ مشاهده کنید تا ارتفاع دقیق توپ قبل از رها کردن و در برگشت از برخورد به زمین را اندازه بگیرید. همچنین می‌توانید از نتایج خود منحنی رسم کنید. توپ بسکتبال پس از برخورد با هر سطح چه میزان بالا می‌آید؟
مقداری از انرژی جنبشی توپ بسکتبال پس از برخورد به زمین و بالا آمدن به انواع دیگر انرژی تبدیل می‌شود. اما توپ بسکتبال قبل از تمام شدن انرژی جنبشی خود چند مرتبه می‌تواند به زمین برخورد کند و مجدداً بالا بیاید؟ همچنین اگر عواملی را در این آزمایش عوض کنید، مانند نوع سطحی که توپ با آن برخورد می‌کند و یا ارتفاعی که توپ از آن رها می‌شود، نتایج چه تغییری می‌کند؟ آزمایشی طراحی کنید تا در آن تعداد برگشت‌های توپ و تأثیر عوامل مختلف بر این تعداد را بررسی کنید.
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا توپ بسکتبال پس از برخورد با سطح سخت در مقایسه با سطح نرم در برگشت بیشتر بالا می‌آید؟
یکی از عواملی که در برخورد توپ بسکتبال با زمین تأثیر دارد، نوع سطحی است که توپ به آن می‌خورد. زمانی که توپ بسکتبال به یک سطح برخورد می‌کند، مقداری از انرژی آن توسط سطح جذب می‌شود. برخی از سطوح مقدار بیشتری انرژی نسبت به سطوح دیگر جذب می‌کنند. (میزان انرژی جذب شده توسط هر سطح تعیین می‌کند که بازیکن باید چه مقدار انرژی به توپ وارد کند تا توپ به خوبی پس از برخورد به زمین بالا بیاید.) یک سطح سخت مانند سطح بتنی میزان کمتری انرژی در مقایسه با سطوح نرم مانند فرش یا چمن جذب می‌کند. هرچه انرژی جذب شده توسط سطح بیشتر باشد، میزان کمتری انرژی برای حرکت توپ باقی می‌ماند. به همین دلیل در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که زمانی که توپ بسکتبال را روی یک سطح سخت رها می‌کنید در برگشت بیشتر بالا می‌آید. (میزان کمتری انرژی از دست می‌دهد.) و اگر همین توپ را از همان ارتفاع روی یک سطح نرم رها کنید در برگشت ارتفاع کمتری خواهد داشت (انرژی بیشتری از دست می‌دهد.) برای مثال، بسته به نوع توپ بسکتبال و سطحی که آزمایش را روی آن انجام می‌دهید، باید مشاهده کرده باشید که توپ پس از برخورد با سطح نرم حدود ۱۵ اینچ بالا می‌آید و پس از برخورد با سطح سخت تا ۲۵ اینچ ارتفاع می‌گیرد.
منبع:
Where Does a Basketball Bounce Best?
منابع مفيد:
Physics of dribbling a basketball
بسکتبال
انرژي جنبشي
گرانش زمين
ضربه آزاد
بخش فيزيک رشد
How to dirbble faster