مفاهیم کلیدی: فیزیک، علم مواد، مهندسی، کشش، فشردگی
مشاهده علمی ۱۷۳
مقدمه:
آیا تا به حال ماکارونی (اسپاگتی) پخته‌اید؟ رشته‌های ماکارونی بسیار دراز هستند، به همین دلیل برخی افراد آنها را از وسط نصف می‌کنند تا راحت‌تر در قابلمه جا شوند. رشته‌های ماکارونی چگونه می‌شکنند؟ این مسئله چه ارتباطی با علم دارد؟ به نظر می‌رسد مهندسان و دانشمندان نحوه‌ی شکستن مواد هنگام خم شدن را بررسی می‌کنند. اگر چه مهندسان حرفه‌ای بیشتر در مورد اجسامی مانند تیرآهن‌های به کار رفته در یک پل بررسی انجام می‌دهند، شما می‌توانید فعالیتی سرگرم کننده با ماکارونی انجام دهید!
پیش‌زمینه:
هنگامی که یک رشته‌ی ماکارونی (یا هر جسم دیگر) را خم می‌کنید چه اتفاقی می‌افتد؟ با خم کردن یک ماده دو اتفاق رخ می‌دهد: بخش‌هایی از آن تحت کشش قرار می‌گیرد، یعنی در حال جدا شدن از هم هستند. سایر بخش‌ها نیز تحت فشار (فشردگی) قرار می‌گیرند. برخی مواد تحت کشش یا فشردگی آسان‌تر می‌شکنند. به همین دلیل مطالعه‌ی نحوه‌ی شکستن مواد برای مهندسان و دانشمندان علم مواد مهم است. درک بهتر جزییات این موضوع به آنها امکان ساخت سازه‌هایی را می‌دهد که نمی‌شکنند. پل مثال مناسبی در این باره است. با عبور اتومبیل‌ها از روی یک پل، وزن آنها به پل فشاری به سمت پایین وارد می‌کند و در نتیجه پل کمی خم می‌شود. این مسئله مواد سازنده‌ی پل را تحت کشش و فشردگی قرار می‌دهد. وظیفه‌ی مهندسان طراحی پل به گونه‌ای است که تحت این نیروها نشکند.
شما در این فعالیت علمی میله‌ای متشکل از رشته‌های ماکارونی خواهید ساخت. با آویزان کردن وزنه از این میله رشته‌های ماکارونی خم می‌شوند و برخی رشته‌ها تحت کشش و برخی دیگر تحت فشردگی قرار می‌گیرند. اینکه کدام رشته‌ها زودتر می‌شکنند بستگی به خواص فیزیکی ماکارونی دارد. به نظرتان کدام رشته‌های ماکارونی زودتر می‌شکنند؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید!
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک بسته ماکارونی
دو جسم با ارتفاع یکسان مانند دو صندلی، میز یا جعبه‌ی مقوایی بزرگ
قیچی (در هنگام استفاده از آن از یک بزرگتر کمک بگیرید.)
نخ
گیره‌ی کاغذ
لیوان پلاستیکی یا کاغذی بزرگ
اجسامی به عنوان وزنه (مانند سکه)
کش لاستیکی یا نوار چسب
عینک ایمنی برای محافظت از چشمانتان در مقابل تکه‌های ماکارونی که به اطراف پرتاب می‌شوند. (این مورد اختیاری است اما توصیه می‌شود آن را تهیه کنید.)
آماده‌سازی:
دو صندلی، میز یا جعبه‌ی مقوایی هم ارتفاع را طوری کنار هم قرار دهید که فاصله‌ی میانشان چند سانتیمتر (کمتر از طول رشته‌های ماکارونی) باشد.
با کمک یک بزرگتر دو سوراخ کوچک در مقابل هم روی دیواره‌ی لیوان کاغذی یا پلاستیکی در زیر لبه‌ی آن ایجاد کنید.
یک نخ را از دو سوراخ رد کنید و دو سر نخ را گره بزنید تا یک دسته برای لیوان داشته باشید. (به این ترتیب لیوان به یک سطل کوچک تبدیل می‌شود.)
یک گیره‌ی کاغذ را به شکل حرف C یا S دربیاورید تا با استفاده از آن نخ متصل به لیوان را به دسته‌ی ماکارونی آویزان کنید.
روش کار:
یک رشته ماکارونی را روی شکاف میان دو صندلی (یا میز و یا جعبه) قرار دهید.
با استفاده از قلابی که از گیره‌ی کاغذ ساختید لیوان را از رشته‌ی ماکارونی آویزان کنید.
حال به آرامی داخل لیوان وزنه اضافه کنید (مثلاً سکه). به نظرتان قبل از شکستن ماکارونی چه مقدار وزن می‌توان به لیوان اضافه کرد؟
به اضافه کردن وزن ادامه دهید. اگر از وزنه‌های سنگین مانند سکه استفاده می‌کنید، در هنگام انداختن سکه با دست لیوان را نگه دارید. پس از انداختن سکه دستتان را به آرامی کنار بکشید تا وزن لیوان بر ماکارونی وارد شود. (اگر با دست لیوان را نگه ندارید ممکن است ماکارونی در اثر انداختن وزنه سریع‌تر بشکند.)
وزنه‌ها را اضافه کنید تا رشته‌ی ماکارونی بشکند. (در صورتی که رشته‌ی ماکارونی قبل از شکستن خم شد و به پایین افتاد فاصله‌ی میان دو صندلی، میز یا جعبه را کمتر کنید.)
حال پنج رشته ماکارونی را به هم ببندید. می‌توانید برای این منظور انتهای این رشته‌ها را با کش لاستیکی یا نوار چسب به هم بچسبانید. به نظرتان این دسته‌ی پنج تایی از رشته‌های ماکارونی چه وزنی را تحمل می‌کنند؟ آیا وزنی که تحمل می‌کنند حدوداً پنج برابر وزنی است که یک رشته ماکارونی تحمل می‌کند یا بیشتر یا کمتر؟
دسته‌ی پنج تایی ماکارونی را روی شکاف میان دو صندلی یا میز قرار دهید و مراحل قبل را تکرار کنید. به خاطر داشته باشید که وزنه‌ها را یکی یکی اضافه کنید. اتفاقاتی که می‌افتد را خوب مشاهده کنید و به صداهایی که می‌شنوید دقت کنید. آیا قبل از شکسته شدن کل دسته می‌توانید شکستن یک رشته‌ی تنها را ببینید یا صدای آن را بشنوید؟ اولین رشته‌هایی که می‌شکنند در بالای دسته قرار دارند یا پایین؟
همین مراحل را با دسته‌ای متشکل از ده رشته ماکارونی انجام دهید. (اگر لیوان بزرگتر و وزنه‌های بیشتری در اختیار دارید تعداد رشته‌های دسته را افزایش دهید.)
با دقت بررسی کنید که رشته‌هایی که زودتر می‌شکنند در کدام قسمت از دسته قرار دارند. به نظرتان کدام رشته‌ها تحت کشش و کدام رشته‌ها تحت فشردگی هستند؟
آزمایش‌های تکمیلی:
آیا نحوه‌ی قرار گرفتن رشته‌های ماکارونی در کنار هم داخل دسته بر وزنی که دسته تحمل می‌کند تأثیر می‌گذارد؟ چنان‌چه رشته‌های ماکارونی را آزادانه کنار هم بگذارید و تنها با یک نخ آنها را در کنار هم نگه دارید، عملکرد دسته چه تفاوتی با حالتی دارد که رشته‌های ماکارونی با چسب یا کش لاستیکی محکم در کنار هم قرار داشته باشند؟
آزمایش را با دسته‌های بزرگتر (تعداد رشته‌های ماکارونی بیشتر) انجام دهید. برای این کار به ظرف بزرگتر (مانند سطل به جای لیوان پلاستیکی) نیاز خواهید داشت. همچنین می‌توانید به جای وزنه داخل لیوان آب بریزید. در این حالت دقت داشته باشید آزمایش را جایی انجام دهید که در صورت ریختن آب روی زمین مشکلی پیش نیاید.
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که رشته‌های پایینی در دسته زودتر می‌شکنند. این رشته‌ها تحت کشش قرار دارند (در حال جدا شدن از هم هستند). رشته‌های ماکارونی خشک شکننده هستند، به این معنا که به جای خم شدن تمایل به شکستن سریع دارند. (در مقابل این مواد، مواد با خاصیت انعطاف‌پذیری هستند که قابلیت کشیده شدن را دارند و قبل از شکستن می‌توانند تغییر شکل دهند.) در نتیجه، هنگامی که یک تکه از ماکارونی بشکند، تکه‌های دیگر نیز به سرعت دچار شکستگی می‌شوند. این نوع از شکست ماده چیزی است که مهندسان از وقوع آن در سازه‌هایی مانند پل جلوگیری می‌کنند. فاکتورهای بسیار دیگری نیز در طراحی یک پل ایمن برای تحمل وزن‌های زیاد اهمیت دارند.
منبع:
Spaghetti Beams
منابع مفید:
پُل کاغذی
طراحی پُل‌ها
چگونه یک قلعه شنی بی نقص بسازیم
فناوری نانو با کاغذ
استحکام پوسته تخم مرغ
مهندسی-ویکیپدیا
پُل-ویکیپدیا
تراکم-ویکیپدیا
کشش(فیزیک)-ویکیپدیا
سازه‌های ماکارونی-ویکیپدیا
WIKIHow
Feel the Forces of a Suspension Bridge
Popsicle Stick Trusses: What Shape Is Strongest?
How Bridges Work?