مفاهیم کلیدی: فیزیک، برخورد، الاستیسیته، ضریب ارتجاع، دانسیته
مشاهده‌ي علمي ۱۴۹
مقدمه:
یکی از روش‌های فهم بیشتر در مورد نحوه‌ی کار وسایل مختلف، نگاه کردن به اجزای داخلی آن، البته با گرفتن اجازه، است. این روش در مورد تمام چیزها حتی وسایل غیر مکانیکی و ساده قابل استفاده است. با در دست گرفتن یک توپ بیسبال، اولین نکته‌ای که متوجه آن خواهید شد سخت بودن توپ است. از ظاهر این توپ به نظر می‌رسد که خاصیت ارتجاعی نداشته باشد. اما با برخورد توپ به چوب بیسبال این اتفاق رخ می‌دهد و توپ برای لحظه‌ای دچار تغییر شکل می‌شود و سپس به شکل اولیه‌ی خود بازمی‌گردد. هر چه خاصیت ارتجاعی توپ بیشتر باشد، با زدن ضربه توپ مسافت بیشتری را طی می‌کند.
پیش‌زمینه:
اگر تا به حال داخل یک توپ بیسبال را نگاه کرده باشید، یا عکس‌هایی از داخل آن را در اینترنت دیده باشید، می‌دانید که این توپ از لایه‌هایی از مواد مختلف ساخته شده است. چرا ساختار توپ بیسبال لایه لایه است؟ در سال‌های ابتدایی ایجاد این بازی، یعنی قبل از ۱۸۴۸، توپ‌های بیسبال بسیار ارتجاعی بودند و از یک هسته‌ی لاستیکی سخت ساخته شده بودند که تنها سه اینچ قطر داشت. با این توپ‌ها میزان دویدن در بازی بسیار بیشتر بود.
با تکامل بیشتر این بازی، توپ‌های سنگین‌تر با قابلیت ارتجاع کمتر ساخته شدند. این توپ‌ها نسبت به توپ‌های قدیمی سرعت کمتری داشتند و مسافت کوتاه‌تری را طی می‌کردند. قبل از تنظیم رسمی قوانین بیسبال، تیم‌های میزبان می‌توانستند نوع توپ مورد استفاده در بازی را انتخاب کنند و آنها این کار را متناسب با قدرت‌ها و ضعف‌های اعضای تیم خود انجام می‌دادند. پس از چند دهه تحقیق و آزمایش توسط سازندگان توپ و بازیکنان بیسبال، ترکیبی مناسب از مواد و دانسیته برای ساخت ایجاد شد تا توپ‌ها نه خیلی پر جنب و جوش و جهنده باشند و نه خیلی سفت و سنگین. از لحاظ علمی به میزان جهندگی توپ، ضریب ارتجاع (نسبت سرعت نسبی آن پس از برخورد به سرعت نسبی قبل از برخورد) گفته می‌شود.
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک توپ بیسبال استاندارد که اجازه داشته باشید آن را برای انجام آزمایش ببرید.
یک چاقوی تیز (همیشه هنگام کار با ابزار تیز باید یک بزرگتر همراهتان باشد. همچنین حین بریدن اجسام سخت و قابل چرخیدن مثل توپ بسیار احتیاط کنید.)
آماده‌سازی:
برای بریدن و باز کردن یک جسم عجله نکنید. این کار را با آرامش انجام دهید و تمام اجزا را با دقت بررسی کنید و به عملکرد و وظیفه‌ی هر جز خوب فکر کنید. تمام تکه‌هایی که از هم جدا می‌کنید را نگه دارید تا بررسی کنید که چگونه این تکه‌ها در کنار هم قرار می‌گیرند.
روش کار:
با دقت دوخت قرمز روی توپ را ببرید و آن را از توپ جدا کنید. به نظر شما این دوخت‌ها چه نقشی در عملکرد توپ دارند، چرم سفید توپ چطور؟ به نظرتان چرا این رنگ‌ها برای یک توپ که در زمینی با چمن سبز مورد استفاده قرار می‌گیرد انتخاب شده است؟
لایه‌ی چرمی توپ را بلند کنید. در این لایه چه می‌بینید؟ فکر می‌کنید این ریسمان‌ها چه عملکردی دارند و چه تأثیری بر لایه‌ی چرمی روی خود می‌گذارند؟
لایه‌ی ریسمانی نازک را باز کنید. لایه‌ی بعدی چیست؟ بسیاری از توپ‌های بیسبال ارزان قیمت در زیر لایه‌ی ریسمانی خود تنها یک قطعه‌ی جامد از جنس آمالگام چوب‌پنبه/لاستیک دارند. اما در توپ‌های حرفه‌ای و گران قیمت اینطور نیست. آیا تکه‌های کوچکی از نخ قرمز مشاهده می‌کنید؟ به نظر شما این نخ‌ها چه نقشی در ساختار توپ دارند؟
لایه‌ی نخی تیره‌رنگ را باز کنید. پس از آن چه مشاهده می‌کنید؟ لایه‌ی نخ چه تأثیری بر خاصیت ارتجاعی توپ دارد؟ برای درک بهتر این سوال یک توپ متشکل از یک لایه نخ بسیار سفت و محکم و یک توپ با لایه‌ی نخ شل و آزاد را تصور کنید. با برخورد این دو توپ به زمین چه اتفاقی می‌افتد؟
حال لایه‌ی نخ با رنگ روشن را باز کنید. پس از آن چه می‌بینید؟ این لایه‌ی آخر از نخ تیره چه مقدار از جرم و اندازه‌ی کلی توپ را به خود اختصاص می‌دهد؟
تا جایی که می‌توانید نخ‌های تیره را از هم باز کنید و پایین‌تر بروید. در مرکز توپ بیسبال چه چیزی مشاهده می‌کنید؟ این توپ را روی یک سطح صاف و محکم رها کنید. توپ چگونه رفتار می‌کند؟ به نظرتان اگر توپ بیسبال تنها از این قسمت لاستیکی ساخته شده باشد و هیچ کدام از این لایه‌های نخ در آن وجود نداشته باشد توپ چگونه رفتار خواهد کرد؟
حال توپ با پوشش لاستیکی که در مرکز قرار داشت را با دقت از وسط نصف کنید تا بتوانید داخل آن را نیز بررسی کنید. آیا هسته‌ی کوچکی در داخل آن مشاهده می‌کنید؟ به نظر شما جنس این هسته چیست؟ آیا تصور می‌کردید این همه اجزا در داخل یک توپ کوچک بیسبال باشند؟
آزمایش تکمیلی:
حال که با اجزای سازنده‌ی توپ بیسبال آشنا شده‌اید، سعی کنید خودتان با پیچیدن مواد در یک هسته‌ی مرکزی یک توپ بیسبال بسازید. از یک نوع نوار چسب پهن به عنوان پوشش توپ استفاده کنید. توپ‌هایی با طرح‌های مختلف بسازید. استفاده از چه موادی نتایج بهتری به همراه دارد؟ به منظور ساخت توپ‌هایی برای مصارف خاص چه موادی مناسب‌ترند؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
هیچ توپی به طور کامل الاستیک نیست. الاستیسیته‌ی یک توپ بستگی به ساختار درونی آن دارد. با تغییر میزان جهندگی توپ، شرایط بازی کاملاً عوض می‌شود؛ برای مثال یک توپ بسکتبال با جهندگی بسیار کم را تصور کنید. توپ‌های بیسبال امروزی ساختاری خاص و تعریف شده دارند. این توپ‌ها یک هسته از جنس چوب‌پنبه پوشیده شده با لاستیک دارند، که این قسمت با نخ احاطه شده است و سپس روی آن چرم قرار می‌گیرد. توپ‌های بیسبال استاندارد محیطی بین ۲۲.۸۶ تا ۲۳.۴۹ سانتي متر و وزنی بین ۱۴۱.۷ تا ۱۴۸.۸ گرم دارند. ضریب ارتجاع این توپ‌ها باید کمتر از ۰.۵۷۸ و بیشتر از ۰.۵۱۴ باشد. شما با انجام این فعالیت اطلاعات جالبی در مورد این توپ‌های کوچک به ظاهر ساده به دست آوردید!
منبع:
Inside Baseball
منابع مفيد:
چگالي
آشوب
ضربه آراد
حرکت پرتابي
مسابقه فيزيک
برخورد-ويکيپديا
قانون بقاي اندازه حرکت
پرتاب توپ بيسبال
کشساني-ويکيپديا
بيسبال-ويکيپديا
ضريب بازگشت-ويکيپديا
Bouncing balls
Curve-Basball
Putting something-Basball