مفاهیم کاغذی: جاذبه، نیروی پرتاب، نیروی بالابر، نیروی پسار
مشاهده علمي ۱۵۴
مقدمه:
ساخت هواپیماهای کاغذی تفریحی سرگرم‌کننده و جالب است. بسیاری از طرح‌ها به صورت هواپیمای مینیاتوری ساخته شده از کاغذ تا شده همراه با بال، تثبیت کننده و حتی گاهی برآافزا (flap) هستند. این سازه‌ها طوری به نظر می‌رسند که انگار آماده‌ی پرواز و اوج گرفتن هستند. با این حال طرح‌هایی نیز وجود دارند که بسیار عجیب به نظر می‌رسند و ممکن است تصور کنید این نوع هواپیماها هیچ وقت قادر به پرواز نخواهند بود. (مانند طرحی که در این فعالیت علمی پیاده خواهید کرد.) فعالیت زیر را انجام دهید تا بررسی کنید این طرح‌ها عملی هستند یا خیر.
پیش‌زمینه:
اگر چه طرح‌های بسیار زیادی برای ساخت هواپیمای کاغذی وجود دارد، تقریباً همه‌ی آنها ساختاری صاف و بال‌گون دارند که مانند هواپیماهای قدیمی سبب ایجاد نیروی لیفت (lift) به منظور نگه داشتن هواپیما در هوا می‌شود. هواپیمایی که در این فعالیت علمی می‌سازید، (که یادآور طرح Phillip Swift در رقابت بین‌المللی هواپیماهای کاغذی امریکا در سال ۱۹۶۷ است) نیروی لیفت خود را به جای بال از دو حلقه می‌گیرد. بال‌های معمولی هواپیما نوک بال دارند که تولید گردابه می‌کند و نیروی مقاوم یا درگ را افزایش می‌دهد. (که برای ماندن جسم در هوا چندان مناسب نیست.) حلقه‌های ایجاد کننده‌ی لیفت در این طرح نوک بال ندارند و در نتیجه مقاومت کمتری ایجاد می‌کنند. همچنین شکل ساده‌ای که این هواپیما دارد سبب می‌شود بتوان آن را دقیق پرتاب کرد.
مواد و وسایل مورد نیاز:
قیچی
خط‌کش
مداد یا خودکار (اختیاری، برای علامت زدن اندازه‌ها و بریدن کاغذ)
کاغذ یادداشت ضخیم سه در پنج اینچ (یا کاغذ پوشه یا هر کاغذ ضخیم دیگر)
کاغذ پرینتر یا هر کاغذ سفت دیگر
نوار چسب شفاف
نی پلاستیکی سفت (که هیچ قسمتی از آن قابلیت خم شدن نداشته باشد.)
متر اندازه‌گیری (یا یک نخ بلند)
یک فضای باز در داخل یا خارج خانه که بتوانید در آن هواپیمای خود را پرتاب کنید و فاصله‌ای که طی می‌کند را اندازه بگیرید. در داخل خانه یک راهروی طولانی یا اتاق بزرگ مناسب است. اگر می‌خواهید فعالیت را بیرون از خانه انجام دهید، زمانی این کار را بکنید که باد زیادی نوزد.
آماده‌سازی:
با استفاده از خط‌کش (و مداد یا خودکار) فواصل یک اینچی را در طول قسمت کوتاه کاغذ یادداشت خود اندازه بگیرید.
حال از این علامت‌ها کاغذ یادداشت را در جهت طولی ببرید تا سه نوار با ابعاد پنج در یک اینچ داشته باشید. (اگر از کاغذ سفت استفاده می‌کنید، ابتدا با خط‌کش طرح این سه نوار پنج در یک اینچ را روی کاغذ رسم کنید.)
یک تکه نوار چسب در یک انتهای کوتاه یکی از این سه نوار قرار دهید. سپس نوار را به صورت حلقه‌ی کامل درآورید و دو انتها را به هم بچسبانید.
دو نوار دیگر را طوری به هم بچسبانید که انتهای آنها کمی روی هم قرار بگیرد و نواری طولانی حاصل شود.
مانند قبل به یک انتهای این نوار بلند یک تکه نوار چسب بزنید. سپس نوار را به صورت حلقه‌ی کامل درآورید و دو انتها را به هم بچسبانید.
روی یک سر نی یک تکه چسب بزنید. سپس با این چسب نی را از این ناحیه در داخل حلقه‌ی بزرگتر قرار دهید.
چسباندن حلقه‌ی دوم به نی کمی دشوارتر است. قسمتی از حلقه‌ی دوم که به نی می‌چسبد باید دقیقاً مطابق با قسمتی از حلقه‌ی اول باشد که به سر دیگر نی چسبیده است. در این حالت با دقت به کمک چسب انتهای نی را به حلقه‌ی کوچکتر بپسبانید. آیا این سازه شبیه هیچ هواپیمایی که تا به حال دیده باشید است؟ به نظرتان این سازه قدرت پرواز دارد؟
با برگه‌ی دیگری که دارید هواپیمای کاغذی مورد علاقه‌تان را با هر طرحی که دوست دارید بسازید. می‌توانید برای گرفتن ایده-های مختلف در این مورد در اینترنت جستجو کنید.
روش کار:
حال زمان پرواز هواپیما فرارسیده است! هواپیمای دو حلقه‌ای خود را از وسط بگیرید، به طوری که حلقه‌ی کوچک در جلو باشد. آن را مانند یک نیزه پرتاب کنید. (ممکن است برای یادگیری روش صحیح پرتاب نیاز به تمرین داشته باشید.) هواپیما در هوا چگونه عمل می‌کند؟
یک خط شروع برای پرتاب دو هواپیما از آنجا تعیین کنید.
هواپیمای دو حلقه‌ای را از خط شروع پرتاب کنید و مسافتی که هواپیما از خط شروع تا زمین خوردن طی می‌کند را اندازه بگیرید. چه مسافتی طی شده است؟
این کار را حداقل دو مرتبه‌ی دیگر تکرار کنید. مسافت متوسط طی شده توسط هواپیما چقدر است؟ فکر می‌کنید کدام هواپیما مسافت بیشتری طی می‌کند؟
حال هواپیمای دوم را چند بار برای تمرین پرتاب کنید. هواپیما در هوا چگونه پرواز می‌کند؟
اکنون در خط شروع بایستید و هواپیمای دوم را پرتاب کنید. مسافتی که هواپیما از خط شروع تا زمین خوردن طی می‌کند را اندازه بگیرید. چه مسافتی طی شده است؟
این کار را حداقل دو مرتبه‌ی دیگر تکرار کنید. متوسط مسافت طی شده توسط هواپیمای دوم چقدر است؟
کدام هواپیما بیشتر در هوا باقی می‌ماند؟ آیا الگوی پرواز آنها یکسان است؟ آیا لازم است دو هواپیما را به گونه‌های مختلف پرتاب کنید؟
آزمایش‌های تکمیلی:
سعی کنید با اضافه کردن اجزای دیگر به هواپیماها، دینامیک آنها را تغییر دهید. یک گیره‌ی کاغذ در پایین حلقه‌ی کوچک قرار دهید. با این اضافه بار هواپیما چگونه پرواز می‌کند؟ اگر همین بار را به هواپیمای دوم متصل کنید چه اتفاقی می‌افتد؟
یک هواپیمای حلقه‌ای بسیار طولانی با دو نی بسازید. آیا این هواپیما مسافت طولانی‌تری نسبت به هواپیمای دو حلقه‌ای طی می‌کند؟ برای ساخت این هواپیما در انتهای یک نی شکاف کوچکی ایجاد کنید و سر نی دیگر را داخل آن فرو کنید. سپس این قسمت را چسب بزنید.
می‌توانید به جای دو حلقه از چهار حلقه در هواپیما استفاده کنید به طوری که دو حلقه‌ی کوچک در یک انتها درست کنار هم و دو حلقه‌ی بزرگ در انتهای دیگر قرار بگیرند. این حلقه‌های اضافی چه تأثیری در نحوه‌ی پرواز هواپیما دارند؟
ويدئو
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در تمام اجسامی که پرواز می‌کنند چند اصل یکسان است. جاذبه آنها را به سمت پایین می‌کشد اما در همین حین هوا کمک می-کند که پایین نروند. اگر یک کاغذ را در ارتفاع رها کنید، مستقیم به زمین نمی‌رسد و به این طرف و آن طرف می‌رود. کاغذ برای رسیدن به زمین باید هوا را کنار بزند. با هر حرکت برگه مقداری از این هوا کنار می‌رود و کاغذ می‌تواند پایین‌تر بیاید. از آنجا که کاغذ صاف برای پایین آمدن باید هوای زیادی را کنار بزند، سرعت فرودش آهسته است. حال اگر همان کاغذ را مچاله کنید و به صورت یک توپ دربیاورید، خواهید دید که مستقیم و با سرعت به زمین می‌رسد. در این حالت وزن کاغذ تغییری نکرده است، اما هوا می‌تواند به آرامی از دور توپ حرکت کند و کنار برود تا توپ به آسانی به زمین بخورد.
برای اینکه یک جسم در هوا باقی بماند، باید تعادلی میان جاذبه که آن را به سمت پایین می‌کشد و نیروی لیفت تولید شده در نتیجه‌ی حرکت در هوا ایجاد شود. طرح مناسب باید این نیروها را موازنه کند تا جسم به جلو حرکت کند و توسط کشش گرانش شتاب بگیرد. اما چه طرحی خوب است و چه طرحی مناسب نیست؟ برای درک این موضوع باید نتایج آزمایش‌های خود را به طور دقیق یادداشت کنید. تغییراتی که در ساختار هواپیمای کاغذی خود ایجاد می‌کنید را به یاد داشته باشید و اگر به طرحی مناسب برای ساخت هواپیما دست یافتید، آن را به دوستان خود نیز یاد بدهید.
منبع:
Flying Hoopster
منابع مفيد:
هواپيماي هوشمند ۲۰۵۰
نخ و سوزن ابرها
ناوبري هواپيما در باد
ساختن هليکوپتر کاغذي
چرا هواپيما پرواز مي‌کند
انواع هواپيما
گرانش
پرواز برادران رايت
هواپيما-ويکيپديا
Spining Blimps
What makes paper Airplanes fly?
Paper Airplanes
Four forces on an Airplane