مفاهیم کلیدی: موج، فشار، چگالی
مشاهده علمی ۱۶۵
مقدمه:
آیا تا به حال حرکت به سمت بالا و پایین مرغ‌های دریایی روی سطح اقیانوس را دیده‌اید؟ همچنین ممکن است موج سوارانی را دیده باشید که روی یک موج به ساحل میرسند. ممکن است در یک دریاچه روی آب شناور شده باشید و با عبور یک موج به بالا و پایین حرکت کنید. حتی ممکن است قطعاتی بازمانده از قایق‌ها مانند تخته‌های چوبی دیده باشید که توسط امواج به این طرف و آن طرف حرکت می‌کنند. امواج آب بسیار شگفت‌انگیز هستند. این امواج در اندازه‌های مختلف، از یک موج بسیار کوچک تا امواج هیولایی با ارتفاع ده متر وجود دارند. شما امواج آب را دیده‌اید اما آیا می‌دانید چه چیزی آنها را به وجود می‌آورد و امواج چگونه در دریا و اقیانوس حرکت می‌کنند؟ در این فعالیت علمی شما امواج را در منزل خود شبیه‌سازی خواهید کرد. همچنین بررسی خواهید کرد که چرا برخی از امواج آهسته و برخی دیگر سریع هستند.
پیش زمینه:
علت ایجاد بسیاری از امواج دریاها و اقیانوس‌ها باد است. اما چگونه این اتفاق می‌افتد؟ باد سبب می‌شود لایه‌های آب بالای سطحی آرام از آب روی هم جمع شوند. آب زیر تاج (یا قله‌ی) موج تحت وزن آب اضافی خود قرار می‌گیرد. سپس این وزن اضافه آب را از زیر قله‌ی موج به بیرون می‌اندازد. آب در حال حرکت جهش میکند و قله‌ای در یک محل جدید ایجاد میکند. بدین ترتیب موج به حرکت پیوسته‌ی خود ادامه می‌دهداقیانوس‌ها و دریاها لایه‌هایی از آب زیر لایه‌ای از هوا یعنی جو هستند. از آنجا که چگالی هوا بسیار کمتر از آب است (در حجم برابر، هوا حدود هزار برابر وزن کمتری دارد) به نظر میرسد هوا باید تأثیر کمی بر امواج داشته باشد. به همین دلیل برای درک نحوه‌ی کار امواج، در این فعالیت شما یک لایه روغن روی آب اضافه خواهید کرد. در مورد ارتباط این موضوع با هوا و تأثیر آن بر یک موج در سطح آب کنجکاو هستید؟ آمادهی انجام آزمایش باشید تا پاسخ سوالات‌تان را بیابید!
مواد وسایل مورد نیاز:
دو بطری شفاف و تمیز مشابه که در داشته باشند. (بطری نوشابه‌های دو لیتری برای این کار مناسب هستند.) روغن گیاهی به اندازهای که بتوان دو سوم یک بطری را با آن پر کرد.
آب
رنگ خوراکی (رنگ آبی ترجیح داده می‌شود.)
حوله
خودکار یا مداد و کاغذ
یک سطح کار و موادی برای پوشش سطح (مانند یک حوله‌ی قدیمی) که بتوان آب و روغن ریخته شده روی آنها را به آسانی تمیز کرد.
قیف برای پر کردن آسان بطری (اختیاری)
دو تکه‌ی کوچک موم (میتوانید این دو تکه را از یک شمع جدا کنید. برای بریدن آن حتماً از یک بزرگتر کمک بگیرید.) (اختیاری)
:آماده‌سازی
یک حوله (یا هر لایه‌ی محافظ مناسب دیگر) روی سطح کار خود قرار دهید.در هر دو بطری به اندازهی یک سوم حجم آنها آب بریزید. میتوانید این کار را با کمک قیف انجام دهید. سپس چند قطره رنگ خوراکی داخل بطریها بریزید.
در یکی از بطریها را ببندید و آن را کنار بگذارید.
به آرامی بطری دوم را با روغن گیاهی پُر کنید. استفاده از قیف میتواند از ریختن روغن به اطراف جلوگیری کند.
در این بطری را نیز ببندید و آن را کنار بگذارید.
اطمینان حاصل کنید که در هر دو بطری خوب بسته شده است.
بطری‌های آماده شده را با دقت به محلی ببرید که در آن قصد انجام آزمایش را دارید.
بطریها را تا زمانی که آمادهی انجام آزمایش شدید به بغل بخوابانید..
چه چیزی در بطری حاوی آب و روغن مشاهده میکنید؟ آیا آب روی روغن شناور است یا برعکس یا اینکه هر دو مایع با هم مخلوط شده‌اند؟ به نظر شما چگالی آب بیشتر است یا چگالی روغن؟
فکر میکنید روی آب داخل بطری آب رنگی چیزی وجود دارد یا فقط فضای خالی است؟
روش کار:
کار را با بطریای که تنها حاوی آب است شروع کنید. این بطری را به صورت افقی نگه دارید و یک سر آن را بلند کنید تا موج در داخل بطری به وجود بیاید. با شروع موج، سر بطری را پایین بیاورید و بطری را به حالت افقی برگردانید. حال موج را به دقت مشاهده کنید.
همین کار را با بطری حاوی آب و روغن تکرار کنید. آیا تفاوتی در موج تشکیل شده مشاهده میکنید؟ آیا امواج داخل یک بطری سریعتر از امواج داخل بطری دیگر حرکت می‌کنند؟ آیا ارتفاع موجها در دو بطری با هم متفاوت است؟
برای مقایسه‌ی آسان‌تر، تعداد دفعاتی که موج به سر یا انتهای بطری برمی‌گردد را بشمارید. این کار را از بطری حاوی آب شروع کنید. بطری را به صورت افقی نگه دارید و یک سر آن را بلند کنید تا موج تشکیل شود. مجدداً بطری را به حالت افقی درآورید و تعداد دفعاتی که موج به انتهای دیگر بطری میرسد را بشمارید.
شمارش را تا زمانی ادامه دهید که موج به طور کامل از بین برود.
همین کار را در مورد بطری دوم انجام دهید. آیا تفاوتی بین این دو مشاهده میکنید؟ آیا سرعت شمارش برای دو بطری متفاوت است؟ این مسئله چه چیزی را نشان میدهد و علت آن چیست؟ آزمایش‌های تکمیلی زیر اطلاعات خوبی به شما خواهند داد.
آزمایش‌های تکمیلی:
در بطریها را باز کنید. یک تکه‌ی کوچک موم داخل هر بطری بیندازید و مجدداً در آنها را ببندید. از آنجا که چگالی موم بیشتر از روغن و کمتر از آب است، موم روی آب اما در زیر لایه‌ی روغن شناور می‌ماند. ممکن است لازم باشد مدتی صبر کنید تا موم از لایه‌ی روغن پایین برود و به محل مورد نظر خود در زیر روغن و روی آب برسد. به این تکه‌ی موم به عنوان مرغ دریایی، یک قایق یا یک موج سوار شناور روی آب نگاه کنید. حال مانند قبل یک موج در بطری ایجاد کنید و این بار به حرکت موم با دقت نگاه کنید. آیا موم به عقب و جلو حرکت میکند یا در جای خود به بالا و پایین می‌رود؟ آیا میتوانید علت مشاهدات خود را توضیح دهید؟
اگر کرنومتر دارید، میتوانید دورهی موج را اندازه بگیرید. دوره مدت زمانی است که در آن یک موج از قله به کف و مجدداً به قله میرسد. نگاهی به مشاهدات قبلی خود بیندازید. آیا فکر میکنید دورهی امواجی که روی آنها هوا وجود دارد با دورهی امواجی که روی آنها روغن است تفاوت دارد؟ با کرنومتر زمان حرکت تکه‌ی موم از قله به کف و مجدداً به قله را اندازه بگیرید. این زمان اندازه‌گیری شده دورهی موج است. آیا دورهی امواج در حضور روغن و هوا یکسان است؟
فرکانس یک موج تعداد تکرار آن در ثانیه است. نگاهی به مشاهدات قبلی خود بیندازید. به نظرتان فرکانس امواج در حضور هوا و روغن یکسان است؟ آیا میتوانید راهی برای اندازه‌گیری یا محاسبه‌ی فرکانس امواجی که در بطریها تشکیل می‌شوند پیدا کنید؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا مشاهده کردید که آب همراه با روغن روی آن امواج بسیار آهسته‌ای تولید میکند؟
موج به این دلیل حرکت میکند که وزن اضافه‌ی مایع در قله‌ی موج آب زیر خود را به مکان‌‌هایی که آب کم عمق‌تر است هل میدهد. این اتفاق در هر دو بطری رخ میدهد. در مورد بطری حاوی آب، هم آب و هم هوای موجود در بطری بر لایه‌های عمیقتر آب فشار وارد می‌کنند. چگالی هوا حدود هزار بار کمتر از آب است
. به همین دلیل با عبور موج، لایه‌های عمیقتر عمدتاً تحت وزن آب انباشته شده در موج قرار می‌گیرند. تفاوت در وزن بین قله و کف موج (پایین‌ترین قسمت) نیروی محرکه‌ی موج است. در این سناریو، تفاوت بزرگ در وزن منجر به موجی با حرکت سریع می‌شود.
به طور مشابه، در مورد بطری حاوی آب و روغن این دو جزء بر لایه‌های عمیقتر آب فشار وارد می‌کنند. درست مانند هوا، چگالی روغن نیز از آب کمتر است. (چگالی آن حدود دو سوم چگالی آب است). در نتیجه در مقدار برابر از روغن و آب، وزن روغن کمتر از آب خواهد بود. به همین دلیل با جمع شدن آب در یک موج مقدار بیشتری آب و مقدار کمتری روغن بر نقاط زیرین قله‌ی موج فشار وارد می‌کنند. با این وجود در کم عمق‌ترین نقطه از موج روغن بیشتر و آب کمتری اعمال وزن می‌کنند.
 |
بنابراین تفاوت وزن مایعات در نقطه‌ای زیر قله‌ی موج و نقطه‌ای زیر قعر موج (پایین‌ترین قسمت موج) در این حالت بسیار کوچکتر است و در نتیجه نیروی محرکه‌ی موج کمتر است، با وجود اینکه همچنان این نیرو سبب حرکت آب از زیر قله‌ی موج می‌شود. علاوه بر این آب و روغن سنگین‌تر از هوا باید حرکت کنند. به همین خاطر جریان مایع بسیار آهسته‌تر از زمانی است که هوای سبک روی آب جریان دارد. چیزی که شما مشاهده میکنید موج آبی روی سطح است که بسیار آهسته حرکت میکند. در آزمایش تکمیلی، شما احتمالاً مشاهده کرده‌اید که موم عمدتاً در حین حرکت به جلو و عقب موج تنها در موقعیت خود بالا و پایین می‌شود. دلیل آن است که در موج لایه‌های آب زیرین به طور افقی حرکت می‌کنند و لایه‌های سطحی آب حرکت افقی ندارند و فقط بالا و پایین می‌شوند
تمیز کردن:
میتوانید محتویات داخل بطری حاوی آب و رنگ خوراکی را در سینک بریزید. اما نباید روغن را در سینک بریزید. حاوی آب و روغن را صاف روی یک سطح قرار دهید و به مایعات داخل آن فرصت دهید از هم جدا شوند. یک ظرف یا بطری برای جمع کردن روغن بردارید و به آرامی لایه‌ی روغن روی آب را در این ظرف بریزید.
اگر همراه با روغن کمی آب نیز در این ظرف ریخته شود اشکالی ندارد. سعی شما باید بر این باشد که بیشترین مقدار روغن را از بطری جدا کنید. (برای راحتی کار میتوانید از قیف استفاده کنید.) آب رنگی باقیمانده داخل بطری را در سینک بریزید. درِ ظرف حاوی روغن را نیز سفت ببندید و آن را در سطل زباله بیندازید.
منبع:
منابع مفید:
امواج دریا-1
امواج دریا-2
سونامی
بادبان‌ها را بکشید!
امواج غول آسا
تمیز کردن روغن
شبیه سازی جریان‌های اقیانوسی
آب و روغن
یخ سنگین
موج ایستاده
موج ضربه‌ای
تقلید صدای زنبور!
چگونه تخم مرغ روی آب شناور می‌ماند؟
چگالی
مرغ نوروزی-ویکیپدیا
چگالی-ویکیپدیا
Seawater Science
Ocean Waves
Ocean Waves and Currents for Kids