مفاهیم کلیدی: فیزیک، مهندسی، انرژی پتانسیل الاستیک، حرکت پرتابی
مشاهده علمی ۱۸۲
مقدمه:
منجنیق وسیله‌ای کارآمد برای دزدان دریایی در زمان‌های قدیم (قرن هفدهم میلادی) بوده است. شوالیه‌های قرون وسطی قرن‌ها از این وسیله به منظور تخریب دیوارهای عظیم قلعه‌ها استفاده می‌کردند. حتی یونانیان و رومیان نیز حدود دو هزار سال پیش از منجنیق استفاده می‌کردند! این ابزار ساده بسیار کارآمد است، به شرطی که نحوه‌ی هدف‌گیری با آن را بدانید. در این فعالیت علمی شما ساخت منجنیق را امتحان خواهید کرد. به نظرتان می‌توانید محل برخورد پرتابه‌هایتان با این وسیله را پیش‌بینی کنید؟
پیش‌زمینه:
منجنیق از طریق تبدیل یک نوع انرژی به نوع دیگر و انتقال از جسمی به جسم دیگر کار می‌کند.
هنگامی که منجنیق را آماده‌ی پرتاب می‌کنید به آن انرژی می‌دهید. این انرژی به صورت انرژی پتانسیل در جسم ذخیره می‌شود. منجنیقی که شما در این فعالیت علمی خواهید ساخت با استفاده از انرژی پتانسیل الاستیک ذخیره شده در یک چوب با خم کردن آن کار می‌کند. هنگامی که آن را رها می‌کنید، این انرژی ذخیره شده آزاد، به انرژی جنبشی تبدیل و به پرتابه منتقل می-شود. در ادامه پرتابه به فضا پرتاب می‌شود.
موقعیت دستگاه پرتاب پارامتر مهمی در هدف‌گیری است. اما آیا میزان انرژی موجود برای پرتاب نیز در این مسئله موثر است؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا این موضوع را بررسی کنید.
مواد و وسایل مورد نیاز:
هشت چوب بستنی
چهار یا پنج کش لاستیکی محکم
چسب
در پلاستیکی بطری مناسب برای نگه داشتن یک توپ پنبه‌ای
توپ پنبه‌ای (اگر به توپ پنبه‌ای دسترسی ندارید می‌توانید با کاغذ یک توپ کوچک بسازید.)
یک فضای باز کوچک (مساحت یک متر مربع کافی است. سطح کار باید محکم و صاف باشد مانند روی یک میز یا زمین)
آماده‌سازی:
توجه: منجنیق ساده‌ی شرح داده شده در این فعالیت علمی در صورت استفاده از توپ پنبه‌ای یا کاغذی بی خطر است. پرتاب اشیای سفت و یا استفاده از منجنیق‌هایی با طرح‌های دیگر ممکن است خطرناک باشد. دقت داشته باشید تمام اجسامی که پرتاب می‌کنید باید سبک و نرم باشند تا آسیبی به شخص یا اشیای اطراف خود وارد نکنند.
شش چوب بستنی بردارید و آنها را روی هم قرار دهید. با کش لاستیکی دو سر این چوب‌های روی هم قرار گرفته را ببندید تا از هم باز نشوند. چوب پرتاب را مطابق مرحله‌ی بعد به این چوب‌ها لنگر خواهید کرد.
برای اضافه کردن چوب پرتاب، یک چوب بستنی را به صورت عمودی بر روی دسته‌ی چوبی که ساختید و در مرکز آن متصل کنید تا یک شکل ضربدر تشکیل شود. می‌توانید برای متصل کردن چوب از دو کش لاستیکی به صورت X روی چوب‌ها استفاده کنید. در این صورت چوب‌ها به خوبی روی هم باقی می‌مانند.
سپس، پایه را با اتصال یک چوب به یکی از دو سر چوب پرتاب با یک کش لاستیکی اضافه کنید. اگر دسته‌ی چوب‌ها میان پایه و چوب پرتاب قرار نداشته باشند، دو چوب روی هم می‌افتند. اما در این حالت (وجود دسته‌ی چوب‌ها) یک شکل V از پهلو قابل مشاهده است. (دو چوب پایه و پرتاب و دسته‌ی چوب‌های میان آنها)
منجنیق را روی پایه قرار دهید. در بطری را در قسمتی از چوب پرتاب که در بالا قرار گرفته است با چسب بچسبانید تا محل قرار گرفتن پرتابه آماده شود.
صبر کنید تا چسب خشک شود.
روش کار:
منجنیق را روی یک سطح محکم و صاف مانند میز یا زمین قرار دهید. فضایی حدود یک متر برای پرتاب جسم را در مقابل منجنیق خالی کنید.
یک توپ پنبه‌ای را در جایگاه پرتابه قرار دهید. آن را به سمت پایین بکشید و سپس رها کنید.
چه اتفاقی برای توپ می‌افتد؟ مسیر پرتاب آن چگونه است و در کجا فرود می‌آید؟
به نظرتان با پایین‌تر کشیدن سر چوب پرتاب چه اتفاقی می‌افتد، آیا این کار تأثیری بر ارتفاع پرتاب و مسافتی که طی می‌کند و سرعت آن دارد یا خیر؟
توپ پنبه‌ای را داخل جایگاه پرتاب قرار دهید. آن را بیشتر به سمت پایین بکشید و رها کنید. برای گرفتن نتیجه‌ی مناسب لازم است چند بار این کار را تکرار کنید زیرا اتفاقات بسیار سریع می‌افتند. چه تغییری در مسیر حرکت توپ ایجاد می‌شود؟ مسافت طی شده توسط توپ با کم یا زیاد کردن نیرو چه تغییری می‌کند؟
آیا متوجه این موضوع شدید که در کدام حالت باید کار بیشتری انجام دهید، حالتی که جایگاه را کمی به پایین می‌کشید یا حالتی که آن را بسیار پایین می‌برید؟
پرتاب‌های بیشتری انجام دهید. آیا نتایج در تمام دفعات یکسان است؟ آیا این نتایج برایتان قابل پیش‌بینی بوده است؟ می-توانید دلیل مشاهدات خود را توضیح دهید؟
آزمایش‌های تکمیلی:
بررسی کنید اگر موقعیت دسته‌ی شش تایی چوب نسبت به جایگاه پرتاب تغییر کند چه اتفاقی می‌افتد. این کار سبب تغییر موقعیت چوب پرتاب در لحظه‌ی پرتاب می‌شود. به نظرتان ایجاد این تغییر چه تأثیری بر مسیر پرواز توپ دارد؟
چند منجنیق بسازید و مسابقه‌ای با دوستان خود ترتیب دهید. یک در بطری استفاده شده را به عنوان هدف خود قرار دهید. منجنیق‌ها را روی دایره‌ای به شعاع شصت سانتیمتر از هدف قرار دهید و مسابقه را شروع کنید. کسی که بتواند بیشترین تعداد توپ را به هدف بزند برنده است. می‌توانید در هر مرحله شعاع دایره را بزرگتر کنید تا رقابت سخت‌تر شود.
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا مشاهده کردید که با پایین‌تر کشیدن جایگاه پرتاب، توپ پنبه‌ای بالاتر می‌رود و مسافت بیشتری را طی می‌کند؟
با خم کردن چوب پرتاب به سمت پایین، انرژی در آن ذخیره می‌شود. هنگامی که چوب را رها می‌کنید، این انرژی ذخیره شده آزاد و به انرژی حرکتی تبدیل می‌شود. بخش اعظم این انرژی به پرتابه منتقل می‌شود که به هوا می‌رود.
کشیدن بیشتر چوب به سمت پایین نیازمند تلاش بیشتر شماست و احتمالاً متوجه شده‌اید که برای خم کردن بیشتر چوب پرتاب به سمت پایین باید نیروی بیشتری به آن وارد کنید. خم کردن بیشتر به این معناست که انرژی پتانسیل الاستیک بیشتری در چوب جمع می‌شود. با رها کردن چوب تمام این انرژی ذخیره شده به انرژی حرکتی تبدیل می‌شود، در نتیجه پرتابه با سرعت بیشتری در هوا به حرکت درمی‌آید. در مورد منجنیقی که ساختید، با خم کردن بیشتر چوب، پرتابه احتمالاً ارتفاع بیشتری می‌گیرد و مسافت طولانی‌تری را طی می‌کند.
نزدیک‌تر کردن دسته‌ی چوب‌های شش تایی به جایگاه پرتاب باعث می‌شود شیب چوب پرتاب کم‌تر شود. نتیجه آن است که پرتابه مسیری بیشتر به سمت بالا را طی می‌کند. در مقابل اگر دسته‌ی چوب‌ها را از جایگاه پرتاب دور کنید، زاویه‌ی بزرگتری میان چوب پرتاب و پایه‌ی منجنیق تشکیل می‌شود. بدین ترتیب حرکت پرتابه بیشتر به سمت جلو خواهد بود.
منبع:
scientific American
سرعت فرار
منابع مفید:
افتادن دو توپ در نزدیکی سطح زمین
حرکت پرتابی
حرکت پرتابی و سقوط آزاد
Catapult Physics
منجنیق ویکی پدیا
Elastic Potential Energy (عدد گذاری در فرمول و گرفتن نتیجه از نرم افزار)
Physics of Catapults