مفاهیم کلیدی: فیزیک، تغییر شکل، انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی
مشاهده‌ي علمي ۱۴۳
مقدمه:
آیا تا به حال در مورد نحوه‌ی حرکت بادکنک فکر کرده‌اید؟ مشاهده‌ی حرکات بازگشتی بادکنک پس از برخورد با سطوح کمی دشوار است. حرکات بازگشتی در بادکنک بسیار سریع اتفاق می‌افتد و به همین خاطر مشاهده‌ی دقیق اتفاقاتی که در لحظه‌ی برخورد با سطح رخ می‌دهند آسان نیست. در این فعالیت علمی با مشاهده‌ی حرکت آهسته‌ی برخورد بادکنک با سطح، این پدیده را به طور دقیق بررسی خواهید کرد.
پیش‌زمینه:
موضوع مورد مطالعه در این آزمایش دو شکل از انرژی یعنی انرژی پتانسیل و جنبشی است. اگر جسمی دارای انرژی پتانسیل است، در نتیجه در خود انرژی را به صورت ذخیره شده دارد. زمانی که یک جسم، برای مثال یک بادکنک پر از آب، را بلند می‌کنید در برابر نیروی گرانش غلبه می‌کنید. بدین ترتیب جسم به اندازه‌ی کاری که برای بلند کردن آن انجام شده است انرژی ذخیره می‌کند. با رها کردن جسم، انرژی پتانسیل به جنبشی تبدیل می‌شوند.
انرژی جنبشی انرژی حرکت است، برای مثال سقوط بادکنک پر از آب، کشش لاستیک و یا بازگشت آن به حالت اولیه‌اش. با برخورد بادکنک به سطح و انجام حرکت بازگشتی انرژی از پتانسیل به جنبشی و از جنبشی به پتانسیل تبدیل می‌شود.
در این فعالیت علمی شما با مشاهده‌ی حرکت آهسته‌ی برخورد یک توپ با سطح نحوه‌ی انجام حرکت بازگشتی را مورد بررسی قرار خواهید داد. توپی که حرکت بازگشتی آن را بررسی خواهید کرد در واقع یک بادکنک پر از آب است.
مواد و وسایل مورد نیاز:
حداقل چهار عدد بادکنک (که برای ریختن آب در داخلشان مناسب باشند.)
روغن پخت و پز (در این آزمایش به مقدار بسیار کمی روغن نیاز دارید.)
آب (برای پر کردن بادکنک‌ها)
یک سطح صاف در فضای بیرون که خیس شدنش مشکلی به وجود نیاورد. (برای مثال پیاده‌رو)
دوربین فیلم‌برداری و یا هر وسیله‌ی دیگر با قابلیت فیلم‌برداری و یک همراه برای کمک (اختیاری)
آماده‌سازی:
سطح خارجی یکی از بادکنک‌ها را به مقدار کمی روغن آغشته کنید. به نظر شما این کار چه اهمیتی دارد؟
این بادکنک چرب شده را داخل یک بادکنک دیگر قرار دهید.
بادکنک داخلی را پر از آب کنید و سپس سر هر دو بادکنک را گره بزنید.
می‌توانید چند بادکنک بسیار محکم مانند این تهیه کنید تا در صورت ترکیدن اولی بتوانید با استفاده از بادکنک‌های اضافی آزمایش را ادامه دهید.
روش کار:
آماده باشید تا بادکنک خود را بلند کنید و از ارتفاع آن را روی یک سطح صاف رها کنید. انتظار دارید در هنگام سقوط بادکنک چه چیزی مشاهده کنید؟ به نظر شما در هنگام برخورد بادکنک با سطح زمین چه اتفاقی می‌افتد؟
آمادگی داشته باشید تا به طور دقیق اتفاقاتی که می‌افتد را دنبال کنید، در این حالت بادکنک را رها کنید. در هنگام حرکت بادکنک به سمت پایین چه چیزی مشاهده می‌کنید؟ در هنگام برخورد با سطح چه اتفاقی می‌افتد؟ پس از برخورد بادکنک با سطح چه چیزی مشاهده می‌کنید؟
این فعالیت را چند مرتبه‌ی دیگر انجام دهید و هر بار به طور دقیق نحوه‌ی برخورد بادکنک پر از آب با سطح و برگشت آن به سمت بالا را بررسی کنید. به نظر شما چرا این اتفاقات رخ می‌دهند؟
آزمایش تکمیلی:
اگر می‌خواهید به طور دقیق‌تر دینامیک برخورد را مورد بررسی قرار دهید از همراه خود بخواهید با دوربین فیلم‌برداری و یا گوشی موبایل با قابلیت فیلم‌برداری، از لحظات برخورد بادکنک با سطح و بازگشت آن به بالا فیلم بگیرد. حتی می‌توانید فیلمی که همراهتان می‌گیرد را با دور آهسته تماشا کنید تا حرکت بادکنک را دقیق‌تر مشاهده کنید. آیا جزییاتی که در این فیلم می‌بینید قبلاً قابل تشخیص نبوده است؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا بادکنک پر از آب در حال پایین آمدن به سمت زمین شکل کروی خود را حفظ می‌کند اما با برخورد به سطح فشرده می‌شود؟ آیا پس از برخورد و حرکت دوباره به سمت بالا شکل بادکنک مجدداً به حالت کروی اولش بازمی‌گردد؟ ویدیوی زیر را تماشا کنید تا مراحل آزمایش را مرور کنید.
زمانی که بادکنک پر از آب را بلند می‌کنید، به آن انرژی پتانسیل می‌دهید. پتانسیل به چیزی اشاره دارد که می‌تواند اتفاق بیفتد. (برای مثال شما پتانسیل این را دارید که فیزیک‌دان شوید.) اگر جسمی دارای انرژی پتانسیل باشد، یعنی در خود انرژی ذخیره شده دارد. با رها کردن بادکنک این انرژی ذخیره شده یا پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. انرژی جنبشی انرژی حرکت است. (یک اتومبیل که با سرعت صد کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند انرژی جنبشی بسیار زیادی دارد.)
با برخورد بادکنک به زمین و متوقف شدن آن این انرژی جنبشی باید به جایی منتقل شود. به همین دلیل انرژی جنبشی بادکنک در این لحظه صرف فشرده کردن بادکنک می‌شود، به طوری که قسمت برخورد کننده‌ی بادکنک با زمین به صورت یک سطح صاف درمی‌آید. با این اتفاق لاستیک سازنده‌ی بادکنک کشیده می‌شود و این لاستیک کشیده شده تمایل دارد به حالت اولیه‌ی خود بازگردد. (برای درک بهتر یک کش لاستیکی را در نظر بگیرید که کشیده شده است.) با بازگشت لاستیک به حالت اولیه، بادکنک فشاری به سطح وارد می‌کند و سطح نیز در عوض بادکنک را به سمت بالا هل می‌دهد. نتیجه آن که بادکنک پر از آب مجدداً به سمت بالا پرتاب می‌شود.
منبع:
You make it happen with Ken finn
منابع:
Bouncing Balls
Balls Bounces
مسابقه فيزيک فعاليت‌هاي علمي رشد
زنگ تفريح فيزيک فعاليت‌هاي علمي رشد
انرژي پتانسيل
انرژي جنيشي
حرکت سقوط آزاد