مقدمه:
آیا تا به حال دقت کرده‌اید که برخی از درگاه‌های بزرگ به خصوص در ساختمان‌های قدیمی قوسی بالای خود دارند؟ تاق‌های قوسی از زمان‌های بسیار قدیم در معماری ساختمان‌ها استفاده می‌شده‌اند. در این فعالیت علمی شما یک ساختار طبیعی قوس‌دار را مورد آزمایش قرار خواهید داد: پوسته‌ی تخم مرغ. پوسته‌ی تخم مرغ چه میزان بار تحمل می‌کند؟

پیش‌زمینه:
تاق‌های قوسی هزاران سال است که به عنوان یکی از عناصر مهم در مهندسی سازه استفاده می‌شوند. برای مثال، بیش از دو هزار سال پیش رومی‌ها از تاق‌های قوسی برای دادن مقاومت کافی به قنات‌ها و دیگر سازه‌های سنگی عظیم استفاده می‌کردند. شکل هندسی تاق قوسی سبب توزیع نیروها به ستون‌هایی که توان تحمل بار را دارند می‌شود.
پوسته‌ی تخم مرغ مثالی طبیعی از یک ساختار قوسی است. یکی از دو سر پوسته‌ی تخم مرغ قوسی بزرگ‌تر و پهن‌تر و سمت دیگر آن قوسی نازک‌تر و تیزتر دارد. اگر تخم مرغ را به یک سطح سفت بزنید به راحتی می‌شکند. اما اگر سعی کنید تخم مرغ را در جهت طولی فشار دهید تا بشکند، متوجه خواهید شد که تخم مرغ نیروی بیشتری از آنچه تصور می‌کردید تحمل می‌کند. (برای این کار حتماً دستکش بپوشید چرا که تکه‌های پوسته‌ی تخم مرغ پس از شکستن بسیار تیز هستند.)

مواد و وسایل مورد نیاز:

حداقل سه عدد تخم مرغ خام
مداد یا ماژیک
خط‌کش (اختیاری)
یک کاسه
یک تیزکن
یک بشقاب یا هر سطح صاف دیگر برای قرار دادن پوسته‌های تخم مرغ و انجام آزمایش روی آن
یک کتاب با جلد سخت
چند جلد مجله یا کتاب نازک و سبک

آماده‌سازی:

با یک مداد یا ماژیک خطی در وسط تخم مرغ و در فاصله‌ای یکسان از دو سر نوک‌تیز آن دور تا دور رسم کنید. این خط باید به طور تقریبی در پهن‌ترین قسمت تخم مرغ (در جهت عرضی و نه طولی) باشد. ممکن است برای تشخیص وسط تخم مرغ و رسم خط به خط‌کش نیاز داشته باشید.
با دقت در پوسته‌ی تخم مرغ در قسمت نوک تیزتر آن یک سوراخ کوچک ایجاد کنید و محتویات داخل تخم مرغ را در یک کاسه بریزید. سپس پوسته‌ی خالی تخم مرغ را با آب بشویید. دقت کنید که تمام سطوحی که تخم مرغ خام با آنها تماس دارد از جمله دستانتان را با آب و صابون بشویید چرا که ممکن است تخم مرغ‌ها حامل باکتری سالمونلا باشند.
با استفاده از تیزکن روی خطی که روی تخم مرغ رسم کرده‌اید با دقت خراش ایجاد کنید. باید این کار را بسیار آهسته و با دقت انجام دهید، چرا؟
حال با دقت فراوان تخم مرغ را از این خط ببرید. پوسته‌ی تخم مرغ چقدر محکم است؟
این کار را دو مرتبه‌ی دیگر انجام دهید تا در نهایت سه پوسته‌ی نصف‌شده‌ی تخم مرغ داشته باشید.
دقت داشته باشید که اگر لبه‌های بریده شده‌ی پوسته کمی ناهموار باشند مشکلی وجود ندارد. اما در صورتی که ترکی قابل توجه در آنها ایجاد شده است، باید تخم مرغ جدیدی را بردارید و مجدداً پوسته‌ای برای آزمایش آماده کنید. پوسته‌های نهایی‌تان نباید هیچ ترکی داشته باشند تا باعث ضعف پوسته شوند.

روش کار:
سه پوسته‌ی تخم مرغی که آماده کرده‌اید را روی یک سطح صاف مانند بشقاب طوری قرار دهید که قسمت باز آنها رو به پایین باشد. این سه پوسته را طوری با فاصله از هم بگذارید که تشکیل یک مثلث متساوی‌الاضلاع دهند. به نظر شما چه لزومی دارد که این سه پوسته فاصله‌ای یکسان با هم داشته باشند؟

با دقت یک کتاب با جلد سخت روی این سه پوسته‌ی تخم مرغ قرار دهید. کتاب باید طوری در وسط پوسته‌ها قرار بگیرد که وزن آن بین سه پوسته به طور مساوی تقسیم شود. آیا پوسته‌ها می‌توانند وزن کتاب را تحمل کنند؟
حال مجله‌ها را یکی یکی روی کتاب اضافه کنید تا میزان تحمل پوسته‌ها را بسنجید. قبل از شکستن پوسته‌ها چند مجله روی آنها اضافه کرده‌اید؟
کتاب و مجله‌هایی که پوسته‌ها تحمل کرده‌اند را بلند کنید. آیا خیلی سنگین هستند؟ آیا میزان وزنی که این پوسته‌ها تحمل می‌کنند برایتان عجیب است؟

آزمایش‌های تکمیلی:
با ترازوی آشپزخانه وزن کتاب و مجله‌هایی را که پوسته‌های تخم مرغ تحمل کرده‌اند اندازه بگیرید. این پوسته‌ها چه وزنی (در واقع جرم) تحمل می‌کنند؟ آیا نتیجه برایتان عجیب است؟

در این فعالیت علمی شما قسمت نوک تیزتر پوسته‌ی تخم مرغ را سوراخ کردید و میزان تحمل قسمت قوسی شکل پهن پوسته را اندازه گرفتید. به نظرتان اگر به جای این کار قسمت پهن‌تر را سوراخ کنید و همین آزمایش را روی قسمت نوک تیز پوسته انجام دهید چه نتیجه‌ای به دست خواهید آورد؟
این فعالیت را یک مرتبه‌ی دیگر انجام دهید، اما این بار پوسته را به جای جهت عرضی، در جهت طولی نصف کنید. در این حالت پوسته‌ی تخم مرغ قابلیت تحمل چه میزان بار را دارد؟

مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا پوسته‌های تخم مرغ قادر به تحمل کتاب و چند مجله هستند؟
پوسته‌های تخم مرغ وزن غیر قابل باوری را تحمل می‌کنند. احتمالاً در این فعالیت علمی مشاهده کرده‌اید که این پوسته‌ها وزن یک کتاب با جلد سخت و بیش از ده عدد مجله را قبل از شکستن و فرو ریختن تحمل می‌کنند. (البته اگر قبل از قرار دادن کتاب و مجله‌ها در پوسته‌ها ترکی کوچک وجود داشته باشد، احتمالاً پس از قرار دادن کتاب و تعداد کمی مجله آن پوسته می‌شکند و به دنبالش دو پوسته‌ی تخم مرغ دیگر نیز فرو می‌ریزند.) در ساختمان‌ها ساختارهای قوسی سبب پخش وزن وارد شده به ستون-های محکم که تاق‌های قوسی را نگه می‌دارند می‌شوند و همین اتفاق در مورد پوسته‌ی تخم مرغ نیز می‌افتد. این موضوع سبب حذف برخی تنش‌های وارد بر سازه می‌شود. به طور کلی، شکل قوسی باعث می‌شود سازه وزن زیادی را روی خود تحمل کند.

تمیز کردن:
پس از انجام این فعالیت علمی، تمام سطوحی که با پوسته‌ی تخم مرغ خام در تماس بوده‌اند را با آب و صابون خوب بشویید، چرا که ممکن است تخم مرغ‌ها حاوی باکتری سالمونلا باشند.

منبع:

How Strong are Eggshells?

منابع مفيد:

The Arch Bridges

Egg and Embryo Development

طاق قوسي

ايوان کسري

طراحي پُل‌ها

پُل کاغذي