مفاهیم کلیدی: فیزیک، سرعت، شتاب، جاذبه
مشاهده علمي ۱۵۳
مقدمه:
آیا تا به حال در حین سقوط یک جسم به این فکر کرده‌اید که این جسم با چه سرعتی به سمت پایین حرکت می‌کند؟ (البته اگر جسمِ در حال افتادن شکننده باشد به این فکر نمی‌کنید و فقط سعی خواهید کرد از خوردن آن به زمین جلوگیری کنید!) همه‌ی ما می‌دانیم که جاذبه سبب سقوط اجسام به سمت پایین می‌شود. اما جاذبه چه تأثیری بر سرعت سقوط می‌گذارد؟ برای مثال آیا جسم پس از جدا شدن از دست شما سرعت بیشتری دارد یا دقیقاً قبل از برخورد به زمین؟ در این فعالیت علمی شما رابطه‌ی میان زمان و مسافت طی شده توسط یک جسم تحت شتاب ثابت گرانش را بررسی خواهید کرد.
پیش‌زمینه:
 |
شما بر حسب تجربه می‌دانید که سرعت دادن به دوچرخه در حین دوچرخه‌سواری در یک مسیر شیب‌دار به سمت پایین کار آسانی است. جاذبه در این حالت به کمک شما می‌آید و با کشیدن دوچرخه به پایین کار شما را برای سرعت دادن به دوچرخه از طریق پدال زدن کم می‌کند. همچنین می‌دانید که هر چه مسافت روی این تپه بیشتر باشد می‌توانید با سرعت بیشتری حرکت کنید. هر چه مدت زمان طولانی‌تری تحت کشش جاذبه به سمت پایین باشید، سرعت حرکت دوچرخه بیشتر می‌شود. این را نیز می‌دانید که هر چه شیب تپه بیشتر باشد، سرعت شما نیز بیشتر خواهد بود. شیب‌دارترین تپه‌ای که بتوانید تصور کنید چندان شبیه تپه نیست، بلکه یک مسیر عمودی به سمت پایین است که در آن اجسام سقوط آزاد می‌کنند و کشش جاذبه نیز در آن بیشترین مقدار خواهد بود. بی‌شک علاقه‌ای به حرکت روی این سطح با دوچرخه ندارید!
در سقوط آزاد، جاذبه به طور مداوم به جسم شتاب وارد می‌کند (سرعت آن را افزایش می‌دهد) تا اینکه جسم به سرعت حد برسد. به طور خاص جاذبه سرعت جسم در حال سقوط را در هر ثانیه ۹.۸ متر بر ثانیه افزایش می‌دهد. (واحد سرعت متر بر ثانیه و واحد شتاب متر بر مجذور ثانیه است.) این شتاب چه تأثیری بر مسافتی که جسم با گذشت زمان طی می‌کند دارد؟ در این فعالیت علمی شما یک تیله را روی سطح شیب‌دار رها خواهید کرد تا این موضوع را بررسی کنید.
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک لوله‌ی مقوایی بلند برای ساخت سطح شیب‌دار. طول این لوله باید حداقل دو و نیم فوت باشد.
یک کتاب نازک یا یک تکه چوب کوچک برای بالا نگه داشتن یک انتهای لوله‌ی مقوایی. ضخامت آن باید حدود نیم تا یک اینچ باشد.
قیچی برای بریدن لوله‌ی مقوایی
ماژیک دائمی
تیله‌ی بازی
زمان‌سنجی که ثانیه‌شمار داشته باشد. بسیاری از گوشی‌های تلفن همراه زمان‌سنجی با این ویژگی دارند.
خط‌کش (اختیاری)
یک همراه برای کمک (اختیاری)
آماده‌سازی:
یک لوله‌ی مقوایی بلند بردارید و آن را در یک خط مستقیم در امتداد طول ببرید. همین کار را در خطی مستقیم درست مقابل خط قبلی انجام دهید تا در نهایت دو نیم لوله‌ی همسان داشته باشید. از یکی از این دو قطعه به عنوان سطح شیب‌دار در آزمایش خود استفاده خواهید کرد.
یکی از دو نیم‌لوله‌ای که بریدید را بردارید و زیر یک انتهای آن کتابی نازک یا تکه چوبی کوچک قرار دهید. (حداکثر با ضخامت یک اینچ که شیب آن زیاد نشود و سرعت تیله روی آن قابل اندازه‌گیری باشد.)
با ماژیک دائمی خط شروع را در قسمت بالاتر سطح شیب‌دار حدود نیم اینچ از انتها علامت‌گذاری کنید. سطح شیب‌دار شما برای انجام آزمایش آماده است!
روش کار:
تایمر را روی یک ثانیه تنظیم کنید و تیله را روی خط شروع نگه دارید.
دقیقاً در لحظه‌ای که دکمه‌ی شروع تایمر را فشار می‌دهید، تیله را رها کنید. (دقت کنید که نباید آن را هل بدهید.) در همین حین آماده باشید تا با ماژیک مکان تیله روی سطح شیب‌دار پس از گذشت یک ثانیه را علامت بزنید. اگر همراه دارید، از او بخواهید علامت‌گذاری را انجام دهد. پس از گذشت یک ثانیه تیله چه مسافتی را طی می‌کند؟
این کار را حداقل ۹ مرتبه‌ی دیگر انجام دهید. به این ترتیب در انتها باید ده علامت مختلف روی سطح شیب‌دار داشته باشید که محل تیله پس از گذشت یک ثانیه را نشان می‌دهند. آیا تیله در تمام این ده بار مسافت یکسانی را طی می‌کند؟
مراحل قبل را یک بار دیگر انجام دهید، اما این مرتبه محل تیله پس از گذشت دو ثانیه را علامت بزنید. این کار را نیز حداقل ده مرتبه انجام دهید تا ده علامت دیگر روی سطح شیب‌دار داشته باشید. مسافت طی شده توسط تیله در یک ثانیه چه تفاوتی با مسافت طی شده در دو ثانیه دارد؟ در واقع، علامت‌های مربوط به زمان یک ثانیه نسبت به علامت‌های مربوط به دو ثانیه چگونه هستند؟
اگر خط‌کش دارید، می‌توانید مسافت طی شده توسط تیله در هر مرتبه از خط شروع را اندازه بگیرید.
به طور کلی با افزایش زمان، مسافت طی شده توسط تیله روی سطح شیب‌دار چه تغییری می‌کند؟ این نتایج چه نکته‌ای را در مورد تأثیر جاذبه بر سرعت و شتاب تیله در حال حرکت روی سطح شیب‌دار بیان می‌کنند؟
آزمایش‌های تکمیلی:
با خط‌کش مسافت طی شده توسط تیله روی سطح شیب‌دار را اندازه بگیرید و با این اطلاعات مسافت متوسط طی شده در یک ثانیه و دو ثانیه را محاسبه کنید. (هر کدام از زمان‌ها به طور جداگانه) سپس نموداری از نتایج خود ترسیم کنید. مسافت متوسط طی شده را روی یک محور و زمان را روی محور دیگر قرار دهید. با توجه به این نمودار، با افزایش زمان مسافت طی شده توسط تیله چه تغییری می‌کند؟
این فعالیت را با استفاده از یک سطح شیب‌دار بلندتر حداقل با طول شش فوت انجام دهید. تیله را روی این سطح شیب‌دار رها کنید و مسافت طی شده توسط آن را در زمان‌های بیشتر اندازه بگیرید (یک ثانیه، دو ثانیه، سه ثانیه و ...) تا جایی که در زمان مد نظرتان تیله مسیر را به طور کامل طی کند. در هر بار مسافت طی شده توسط تیله را روی سطح شیب‌دار علامت بزنید. تأثیر جاذبه بر سرعت و شتاب تیله در این حالت چگونه است؟
این فعالیت را با توپ‌های مختلف مانند توپ لاستیکی، فلزی، پینگ‌پونگ و ... انجام دهید. جنس و نوع توپ چه تأثیری بر نحوه‌ی حرکت آن روی سطح شیب‌دار می‌گذارد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
 |
آیا تیله با طی مسافت بیشتر افزایش سرعت پیدا می‌کند؟
سرعت یک جسم در حال سقوط آزاد با گذشت هر ثانیه 9.8 متر بر ثانیه افزایش می‌یابد. در نتیجه پس از یک ثانیه جسم با سرعت ۹.۸ متر بر ثانیه به سمت پایین حرکت می‌کند. پس از دو ثانیه سرعت جسم به ۱۹.۶ متر بر ثانیه می‌رسد و به همین ترتیب پس از سه ثانیه به ۲۹.۴ متر بر ثانیه.
اگرچه این فعالیت در شرایط سقوط آزاد انجام نشده است، (حضور سطح شیب‌دار سبب ایجاد اصطکاک و کاهش سرعت تیله می-شود.) در اینجا نیز مفهوم به همین شکل است و جاذبه به طور پیوسته سبب افزایش سرعت تیله در حرکت به سمت پایین می-شود. این موضوع را می‌توان با مقایسه‌ی فاصله‌ی بین خط شروع تا علامت‌های زمان یک ثانیه و فاصله‌ی بین علامت‌های زمان یک ثانیه تا دو ثانیه متوجه شد. در واقع، فاصله‌ی میان علامت‌های زمان یک ثانیه و دو ثانیه بزرگتر از فاصله‌ی میان خط شروع و علامت‌های زمان یک ثانیه است، که نشان می‌دهد در زمان طولانی‌تر سرعت تیله افزایش پیدا کرده است. بسته به شرایط دقیق سطح شیب‌دار، فاصله‌ی میان علامت‌های زمان یک ثانیه و دو ثانیه باید چیزی در حدود یک و نیم تا دو و نیم برابر فاصله‌ی بین خط شروع و علامت‌های زمان یک ثانیه باشند.
منبع:
Speedy Science
منابع مفيد:
حرکت سقوط آزاد اجسام
گرانش
آزمايش شتاب
حرکت با شتاب ثابت
سرعت ثابت و شتاب
زمان سقوط
حرکت پرتابي و سقوط آزاد
G بزرگ
افتادن تخم مرغ
معلق ماندن آب
گرانش-ويکيپديا
سقوط آزاد-ويکيپديا
شتاب ويکيپديا
Inclined planes