مفاهیم کلیدی: گرانش، فشار هوا، دینامیک سیالات
مشاهده‌ي علمي ۱۴۵
مقدمه:
پرواز کردن کاری بسیار هیجان‌انگیز است. آیا تا به حال موشک کاغذی ساخته‌اید؟ تماشای اوج گرفتن این موشک‌ها در هوا جالب است. همچنین مشاهده‌ی شناور شدن بالون‌های هوای داغ در آسمان به انسان حس خوبی می‌دهد. روش‌های بسیاری به منظور شناور نگه داشتن اجسام در هوا وجود دارد. هواپیماها با شتاب گرفتن و رسیدن به سرعت‌های بالا از زمین بلند می‌شوند، بالون‌های هوای داغ نیز با گرم کردن هوا در بالای هوای محیط شناور می‌شوند.
طبق آخرین اطلاعات بدست آمده، در سال 1873 میلادی و در پاریس نخستین بار انسان موفق به پرواز شد. این پرواز به وسیله‌ی یک بالون هوای داغ که به وسیله‌ی برادران مونت گولفییر (Montgolfier brothers) ابداع شده بود و توسط فرانسیس پیلاتر (Francois Pilatre de Rozier) و فرانسیس دی آرلندس (Francois d'Arlandes) به پرواز در آمد، موفق شد مسافت پنج مایل ( هشت کیلومتر) در حین پرواز بپیماید. گرمای مورد نیاز برای به پرواز در آمدن این بالون از سوختن چوب بدست می‌آمد. بالون یاد شده غیر قابل کنترل بود و جهت حرکت آن را جهت باد تعیین می‌نمود.
بالون مذبور در اولین پرواز خود، در حالی‌که به وسیله‌ی طناب به زمین مهار شده بود، نهایتاً تا ارتفاع 26 متری پرواز کرد. در اواخر سده‌ی هیجده میلادی پرواز با بالون، و یا به عبارتی بالون سواری، افراطی‌ترین مشغله در اروپا شده بود. البته این روند موجب شد که رابطه بین ارتفاع (altitiude) و جو (atmosphere) هرچه بهتر و با جزئیات کامل‌تر مورد شناسائی قرار گیرد.
در این فعالیت علمی شما با یک روش به منظور نگه داشتن اجسام در هوا آشنا خواهید شد و در عین حال در مورد مفهوم گرانش بیشتر خواهید آموخت.
پیش‌زمینه:
به پرواز درآوردن یک جسم کاری بسیار شگفت‌آور است. با انجام این فعالیت علمی، شما تعادل میان فشار یک جریان هوا و کشش نیروی جاذبه در جهت عکس آن را بررسی خواهید نمود. هنگامی که سعی می‌کنید یک توپ را از جریان هوا خارج کنید، می‌توانید فشاری که آن را به سمت داخل جریان می‌کشد حس کنید. همچنین می‌توانید حس کنید که جریان هوا چگونه توسط توپ منحرف می‌شود. این‌ها همه سرنخ‌هایی برای درک بهتر یکی از نیروهای بلند کننده‌ی هواپیما هستند.
مواد و وسایل مورد نیاز:
سشوار (اگر سشوارتان تنظیمات باد سرد داشته باشد برای انجام این فعالیت مناسب‌تر خواهد بود. اما داشتن این قابلیت الزامی نیست.)
یک توپ پینگ پونگ
یک تکه دستمال کاغذی بزرگ
یک بزرگتر برای کمک
آماده‌سازی:
اگر سشوارتان تنظیمات باد سرد دارد، آن را روی این تنظیمات قرار دهید.
از یک بزرگتر بخواهید در استفاده از سشوار کمکتان کند. می‌توانید از همراه خود بخواهید در حین انجام آزمایش سشوار را برای شما نگه دارد.
روش کار:
سر سشوار را به سمت بالا بگیرید و آن را روشن کنید، به طوری که جریانی از هوا به سمت بالا شکل بگیرد. سپس با دقت زیاد توپ پینگ پونگ را طوری روی این جریان قرار دهید که به حالت تعادل برسد.
حال توپ را رها کنید و دستتان را عقب بکشید. چه اتفاقی برای توپ پینگ پونگ می‌افتد؟ به نظر شما چگونه توپ قادر به انجام کاری است که مشاهده می‌کنید؟
به آرامی توپ را از جریان هوا خارج کنید. با خارج شدن توپ از جریان هوا چه رخ می‌دهد؟
حال در حین خارج کردن توپ از جریان هوا، زمانی که نیمی از توپ داخل جریان و نیم دیگر آن خارج جریان قرار گرفت، خارج کردن توپ را متوقف کنید. در این حالت چه نیرویی روی توپ احساس می‌کنید؟ آیا به نظر می‌آید که توپ به داخل جریان هوا کشیده می‌شود؟
در همین وضعیت توپ را رها کنید. چه چیزی مشاهده می‌کنید؟
این بار با یک دست توپ را تا نیمه از جریان هوا خارج کنید. با دست دیگرتان یک دستمال کاغذی روی جریان هوا در بالای توپ بگیرید تا بتوانید نحوه‌ی تغییر جریان هوا را با حرکت دستمال به وضوح ببینید. (برای این کار لازم است از همراه خود بخواهید سشوار را برایتان نگه دارد تا هر دو دست شما آزاد باشد.) چه اتفاقی برای دستمال کاغذی می‌افتد؟ آیا دستمال حرکت می‌کند؟ با تغییر مکان توپ در جریان هوا، دستمال دچار چه تغییراتی می‌شود؟
سعی کنید جریان هوا را به یک سمت منحرف کنید. آیا توپ در حالت زاویه‌دار نیز می‌تواند در جریان هوا معلق بماند؟
به منظور افزایش ارتفاع توپ در حالت معلق، سشوار و توپ را به کنار یک دیوار (یا یک گوشه از اتاق) ببرید. مشاهده خواهید نمود که ارتفاع توپ روی جریان هوای سشوار افزایش می‌یابد. به نظر شما چرا این اتفاق می‌افتد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
زمانی که توپ پینگ پونگ در جریان هوای تولید شده توسط سشوار معلق است، هوایی که به سمت بالا جریان دارد به بخش زیرین توپ برخورد می‌کند و سرعت آن کم می‌شود. به همین دلیل در این قسمت ناحیه‌ای با فشار بیشتر شکل می‌گیرد. این ناحیه‌ی فشار بالا که در زیر توپ تشکیل شده است در مقابل نیروی گرانش که توپ را به سمت پایین می‌کشد مقاومت می‌کند و بدین ترتیب توپ معلق می‌ماند.
هنگامی که نیمی از توپ را از جریان هوا خارج می‌کنید، جریان هوای زیر توپ با سرعت یک مسیر قوسی در اطراف توپ طی می‌کند و مجدداً در بالای توپ به صورت مستقیم به سمت بالا می‌رود. این هوای جریان یافته به سمت بیرون یک نیرو به سمت داخل بر روی توپ اعمال می‌کند، درست مانند جریان رو به پایین هوا در زیر یک هلیکوپتر که نیرویی به سمت بالا به تیغه‌های آن وارد می‌کند.
هنگامی که سشوار و توپ را به نزدیکی یک دیوار می‌برید، منطقه‌ی فشار بالای زیر توپ تبدیل به ناحیه‌ای با فشار بیشتر می‌شود. هوایی که به قسمت پایینی توپ برخورد می‌کند، نمی‌تواند در جهت دیوار و به بیرون جریان پیدا کند. در نتیجه فشار بیشتر زیر توپ سبب رفتن آن به ارتفاعات بیشتر می‌شود.
منبع:
Hair Dryer Gravity Defier
منابع مفيد:
بالون‌هاي هواي داغ
آزمايش بالون هواي داغ
بالون‌هاي هليومي
گرانش
ساختن هليکوپتر کاغذي
نيروي گرانش
بخش فيزيک فعاليت‌هاي علمي رشد
ديناميک سيالات
فشار هوا
چرا هواپيما پرواز مي‌کند؟
پرواز - ويکيپديا
بالون - ويکيپديا
Aviation for kids
Wind Tubes
How Helicopters fly
Bernolli Leviator