مفاهیم کلیدی: فشار، فشار جو، فشار هوا، جاذبه
مشاهده علمی ۱۷۲
مقدمه:
آیا تا به حال به طرح نی‌های آشامیدنی دقت کرده‌اید؟ برخی از آنها مارپیچی و برخی صاف هستند. این نی‌ها در طرح‌ها و رنگ‌های مختلف فانتزی و در ضخامت‌های متفاوت وجود دارند. اما تمام این نی‌ها تقریباً هم اندازه هستند و از فاصله‌ای خاص می‌توانید با آنها نوشیدنی خود را بنوشید. به نظرتان آیا ممکن است یک نی بسیار بلند داشته باشید که بتوانید با آن از فاصله‌ای دور نوشیدنی خود را بنوشید؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا امکان ساخت یک نی بسیار بلند را بررسی کنید.
پیش‌زمینه:
نوشیدن یک مایع با نی به نظر کاری ساده است. اما شما در واقع از طریق ایجاد تغییرات در فشار هوا این کار را انجام می‌دهید. هنگامی که فشار هوای داخل دهان خود را کاهش می‌دهید، فشار جو مایع را در نی به سمت بالا می‌کشد و شما می‌توانید نوشیدنی را بنوشید.
آیا این قضیه به نظرتان عجیب است؟ بهتر است کمی در مورد آن توضیح دهیم: جو لایه‌ای عظیم از هواست. جرم این لایه‌ی هوا به طور مداوم بر ما و هر آنچه که در اطرافمان است فشار وارد می‌کند. این فشار نامرئی در سطح دریا حدود ۱۴.۷ پوند بر اینچ مربع است. این فشار برابر است با فشار قرار گرفتن یک توپ بولینگ در هر اینچ مربع یا پنج توپ بولینگ که بر آب داخل یک لیوان با قطر دو و نیم اینچ فشار وارد می‌کنند. اگر یک نی را در مایع قرار دهید، مایع وارد نی می‌شود و تا جایی بالا می‌آید که هم سطح با مایع خارج از نی شود. مایع داخل و اطراف نی تحت فشار هوای بالای خود قرار می‌گیرند و به همین دلیل ارتفاعشان یکسان است.
اما اگر هوای داخل نی را کم کنید قضیه جالب می‌شود. با این کار فشار هوای داخل نی کاهش می‌یابد و مایع در نی بالا می‌رود. هر چه هوای بیشتری از نی خارج کنید ارتفاع مایع داخل نی بیشتر می‌شود.
به نظرتان آیا محدودیتی برای بالا آمدن ارتفاع مایع در نی وجود دارد؟ در این فعالیت علمی یک نی بسیار بلند می‌سازید و عملکرد آن را آزمایش خواهید کرد.
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک بسته نی پلاستیکی (حداقل دارای ۱۰ عدد نی). بهتر است این نی‌ها قابل خم شدن باشند.
قیچی
خط‌کش
نوار چسب
لیوان حاوی آب
یک سطح کار که قابلیت خیس شدن را داشته باشد. (اگر چنین سطحی در اختیار ندارید، روی یک سطح چیزی مانند حوله پهن کنید تا از خیس شدن آن جلوگیری شود.)
یک صندلی یا میز مناسب برای ایستادن روی آن
آماده‌سازی:
از یک بزرگتر بخواهید به شما کمک کند در انتهای یکی از نی‌های پلاستیکی دو شکاف نیم اینچی در جهت طولی در دو سمت مقابل هم ایجاد کنید. این شکاف‌ها به شما کمک خواهند کرد انتهای یک نی را روی سر یک نی دیگر بیندازید.
ده عدد نی را به همین ترتیب آماده کنید تا تعداد کافی نی برای ساخت یک نی بسیار بلند داشته باشید. اگر در مراحل بعدی به تعداد نی‌های بیشتری نیاز پیدا کنید می‌توانید به همین ترتیب چند نی اضافه آماده کنید.)
روش کار:
انتهای آماده‌ی یک نی را در سر بدون شکاف نی دیگر فرو ببرید.
محل همپوشانی دو نی را با نوار چسب محکم کنید تا نی‌ها از هم جدا نشوند. در چسب زدن بسیار دقت کنید زیرا چسب زدن خوب از بروز مشکلات بعدی در کار جلوگیری می‌کند. به نظر شما داشتن چسب‌های محکم در اتصالات چه تأثیری در عملکرد نی دارد؟ (راهنمایی: هنگام نوشیدن با نی باید هوا را از داخل آن بیرون بکشید.)
برای آزمایش نی دوتایی که ساخته‌اید یک لیوان آب روی زمین بگذارید. (حتماً لیوان را در جایی بگذارید که بتواند خیس شود. در غیر این صورت پارچه یا حوله‌ای زیر لیوان پهن کنید.) حال نی را به صورت عمودی یا نزدیک به حالت عمودی نگه دارید و سعی کنید با آن آب بنوشید. آیا آب به دهانتان می‌رسد؟
اگر مقدار آبی که در نی بالا می‌آید بسیار کم است، محل اتصال دو نی را بررسی کنید. آیا راهی برای رد شدن هوا در آن وجود دارد؟ سعی کنید چسب را بهتر در این ناحیه بزنید تا راه هوا بسته شود. اگر وضعیت محل اتصال مناسب است، در نواحی دیگر دو نی به دنبال سوراخ احتمالی بگردید. در صورت وجود سوراخ آن را با نوار چسب بپوشانید تا راه هوا بسته شود.
حال با نی خود چند بررسی انجام دهید. ابتدا هوا را با سرعت کم و سپس با سرعت زیاد بالا بکشید و نحوه‌ی افزایش ارتفاع آب در نی را بررسی کنید. اگر هوای بیشتری را از نی خارج کنید چه رخ می‌دهد و چرا؟
اکنون زمان افزایش طول نی فرا رسیده است. به همان روش قبل یک نی آماده‌ی دیگر دارای شکاف را به نی بزرگ خود متصل کنید. دقت داشته باشید که در هنگام انجام آزمایش نی باید به صورت عمودی در لیوان قرار بگیرد. عملکرد نی جدید چگونه است؟ آیا نوشیدن آب با آن دشوارتر است؟
هر بار یک نی به سازه‌ی خود اضافه کنید و عملکرد آن را بررسی کنید. ممکن است در مراحل انتهایی برای تست نی لازم باشد روی صندلی یا میز بایستید. آیا با افزایش ارتفاع شما از لیوان (بلندتر شدن نی) نوشیدن آب دشوارتر می‌شود؟
پس از اضافه کردن چند نی به سازه و هنگامی که نوشیدن آب با نی بلند سخت شد، اضافه کردن نی‌ها را متوقف کنید و اکنون نوشیدن آب را در حالاتی که نی با زاویه‌های مختلف قرار می‌گیرد امتحان کنید. نی را در حالت عمودی، زاویه‌ای میان افقی و عمودی (حدود ۴۵ درجه) و همچنین در زاویه‌ای بسیار نزدیک به صفر (افقی) آزمایش کنید. توجه داشته باشید که برای آزمایش نی در حالت نزدیک به افقی لازم است آب بیشتری در لیوان بریزید. آیا تفاوتی در سختی نوشیدن آب از لیوان در این زوایا وجود دارد؟ در این صورت زاویه‌ها را از شماره‌ی یک تا سه به ترتیب سخت‌ترین تا آسان‌ترین حالت مرتب کنید. دقت کنید که در این حالات فاصله‌ی لیوان با سر نی تغییری نکرده است و تنها زاویه متفاوت بوده است.
چند لحظه صبر کنید و به این فکر کنید که با تغییر زاویه‌ی نی ارتفاع لیوان تا دهانتان چه تغییری می‌کند. این چند حالت را از شماره‌ی یک تا سه به ترتیب بیشترین ارتفاع تا کمترین ارتفاع مرتب کنید. آیا رابطه‌ای میان ارتفاع و سختی نوشیدن آب مشاهده می‌کنید؟
اگر نی‌هایتان دارای قابلیت خم شدن هستند، بررسی کنید که اگر ارتفاع نی و سر شما مانند قبل باشد اما نحوه‌ی تا خوردگی در مسیر نی را عوض کنید چه اتفاقی می‌افتد. برای این کار عملکرد یک نی صاف را با یک نی با چند خمیدگی مقایسه کنید. اکنون با ثابت ماندن ارتفاع، تغییر صافی نی چه تأثیری بر دشواری کار می‌گذارد؟
به طور کلی چند نی را می‌توان به هم متصل کرد تا همچنان امکان نوشیدن آب با آن در حالت عمودی وجود داشته باشد؟ به نظرتان محدودیتی برای تعداد نی‌ها وجود دارد یا می‌توانید تا هر جا که تمایل داشته باشید اضافه کردن نی‌ها را ادامه دهید؟
آزمایش تکمیلی:
این فعالیت را با استفاده از انواع نی‌های پهن یا بسیار باریک انجام دهید. آیا نوع نی در عملکرد سازه‌ی بلندتان تأثیر دارد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
هنگامی که هوای داخل نی را با دهانتان خارج می‌کنید، هوای کمتری به آب داخل نی در مقایسه با آب خارج از نی فشار وارد می‌کند. این عدم تعادل در فشار باعث می‌شود آب بیشتری وارد نی شود. ارتفاع آب تا جایی بالا می‌آید که فشار وارد بر آب داخل نی برابر با اختلاف فشار شود.
هر چه هوای بیشتری را با دهانتان از نی خارج کنید، اختلاف فشار هوا بیشتر می‌شود و سطح آب داخل نی بالاتر می‌آید. هنگامی که آب به سر نی می‌رسد می‌توانید آن را بنوشید.
قدرت ریه‌های شما تعیین‌کننده‌ی میزان هوایی است که می‌توانید از نی خارج کنید. برای برخی افراد نوشیدن آب با یک نی سه فوتی دشوار است، در حالیکه برخی می‌توانند با یک نی هشت فوتی به راحتی آب را بنوشند!
توجه داشته باشید که عمدتاً تفاوت ارتفاع مانع اصلی در نوشیدن مایع است و نه طول نی یا در واقع مسیری که آب باید در نی طی کند. اگر نی را در حالت نزدیک به افقی نگه دارید می‌توانید با یک نی بسیار دراز نیز به راحتی آب بنوشید.
منبع:
منابع مفید:
فشار بخار
فشار سنج
فشار سنج پزشکی
آزمایش بالون هوای داغ
لاستیک صاف
اصل پاسکال
سی هزار پا بالای دریا
معلق ماندن آب
حجم بیشتر
غواص دکارتی
قوطی مچاله
مقابله با گرانش با استفاده از سشوار
G بزرگ!
گرانش-ویکیپدیا
Pressure-Hyperphysics
Would a straw work in space?
Drinking straws work
Under an ocean air pressure
فشار-ویکیپدیا