مقدمه:

آیا تا به حال پرواز یک هلیکوپتر در آسمان را مشاهده کرده‌‌اید؟ به نظر شما هلیکوپتر چگونه در آسمان پرواز می‌‌کند؟ با انجام این فعالیت می‌‌توانید مقدمات ساخت یک هلیکوپتر کاغذی را بیاموزید. همچنین در مورد نحوه‌‌ی پرواز این وسایل در آسمان نکاتی خواهید آموخت.

پیش‌‌زمینه:

هلیکوپترها به کمک تیغه‌‌های چرخان خود در آسمان پرواز می‌‌کنند. این تیغه‌‌های چرخان نیرویی به سمت بالا ایجاد می‌‌کنند که در مقابل جاذبه‌‌ی زمین که اجسام را به سمت پایین می‌‌کشد مقاومت می‌‌کند. هلیکوپترها که بال‌‌هایی چرخان دارند در دسته‌‌ی وسایل نقلیه‌‌ی هوایی بال‌‌گرد قرار می‌‌گیرند؛ درصورتیکه هواپیماهای معمول در گروه بال‌‌ثابت هستند. در این فعالیت علمی شما یک هلیکوپتر کاغذی ساده خواهید ساخت که برخلاف هلیکوپترهای واقعی موتوری برای به چرخش درآوردن بال‌‌هایش ندارد. با این وجود به دلیل شکل خاص این بال‌‌ها، در هنگام پایین آمدن هلیکوپتر بال‌‌ها می‌‌چرخند. این چرخش بال‌‌ها سبب می‌‌شود سرعت سقوط هلیکوپتر کاغذی کاهش پیدا کند و دیرتر به زمین برسد. به نظر شما اگر چند گیره‌‌ی کاغذ به این هلیکوپتر وصل کنیم تا وزن آن بیشتر شود، هلیکوپتر کاغذی سریع‌‌تر به زمین برخورد خواهد کرد؟ این فعالیت را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید.

مواد و وسایل مورد نیاز:

یک رایانه با دسترسی به یک پرینتر (چاپگر) تا بتوانید با آن الگوی کاغذی ساخت هلیکوپتر را روی کاغذ چاپ کنید. (اگر به پرینتر دسترسی ندارید می‌‌توانید این الگو را با خط‌‌کش و مداد از روی الگوی اصلی آن بر روی کاغذ بکشید.)

کاغذ مناسب پرینت

قیچی

چند عدد گیره‌‌ی کاغذ

یک کرنومتر (اختیاری)

یک مکان امن با ارتفاع زیاد که بتوانید از آنجا هلیکوپتر کاغذی خود را پرتاب کنید. (به جای آن می‌‌توانید از یک بزرگتر بخواهید بر روی یک صندلی بایستد و هلیکوپتر را برایتان به پایین رها کند.)

آماده‌‌سازی:

الگوی ساخت هلیکوپتر کاغذی را از این آدرس دریافت و چاپ کنید. اگر به دستگاه پرینتر دسترسی ندارید می‌‌توانید با یک خط‌‌کش و مداد همین طرح را با ابعاد دقیق بر روی کاغذ رسم کنید. 

حال طبق مراحل زیر عمل کنید:

۱. خط‌‌های مشکی توپر را با قیچی ببرید.

۲. دو قسمت A و B را از خط‌‌چین‌‌ها به سمت داخل تا بزنید.

۳. قسمت C را طوری به بالا تا بزنید که دو تکه‌‌ی A و B را زیر خود نگه دارد.

۴. قسمت D را از خط‌‌چین به سمت خودتان تا بزنید.

۵. قسمت E را از خط‌‌چین طوری تا بزنید که در مقابل قسمت D قرار بگیرد.

روش کار:

حال زمان آزمایش هلیکوپتر کاغذی‌‌تان فرار رسیده است. به نظر شما بعد از رها کردن آن چه اتفاقی می‌‌افتد؟ با کمک یک بزرگتر هلیکوپتر کاغذی خود را از یک مکان با ارتفاع زیاد رها کنید. هلیکوپتر چگونه سقوط می‌‌کند؟

هلیکوپتر را چند مرتبه‌‌ی دیگر از همین ارتفاع به شکل قبل رها کنید. به نظر شما چه لزومی دارد که یک حالت را چند مرتبه تکرار کنید؟

حال یک گیره‌‌ی کاغذ به قسمت پایینی هلیکوپتر کاغذی‌‌تان وصل کنید. آن را مجدداً از همان ارتفاع رها کنید. فکر می‌‌کنید در این حالت هلیکوپتر سریع‌‌تر سقوط کند؟ نحوه‌‌ی فرود آن را به دقت مشاهده کنید.

در هر مرحله یک گیره‌‌ی کاغذ دیگر به هلیکوپتر اضافه کنید و آزمایش را تکرار کنید. با افزایش تعداد گیره‌‌ها و سنگین‌‌تر شدن هلیکوپتر چه اتفاقی می‌‌افتد؟

می‌‌توانید با استفاده از یک کرنومتر زمان فرود هلیکوپتر در هر مرحله را اندازه‌‌گیری کنید. این اعداد را یادداشت کنید تا بتوانید زمان‌‌های فرود هلیکوپتر با تعداد گیره‌‌های متفاوت را با هم مقایسه کنید. آیا الگویی در نحوه‌‌ی تغییر این زمان‌‌ها مشاهده می‌کنید؟

آزمایش‌‌های تکمیلی:

سعی کنید هلیکوپتر خود را با کاغذهایی از جنس‌‌های مختلف بسازید. آیا هلیکوپترهای با جنس‌‌‌‌های مختلف در نحوه‌‌ی فرود با هم تفاوت دارند؟

سعی کنید الگوی ساخت هلیکوپتر کاغذی را اصلاح کنید یا خودتان یک الگوی جدید طراحی کنید. به عنوان مثال اگر بال‌‌های هلیکوپترتان را بلندتر، کوتاه‌‌تر، باریک‌‌تر یا پهن‌‌تر کنید چه اتفاقی می‌‌افتد؟ اگر لبه‌‌ی بال‌‌های هلیکوپتر را به صورت موجی یا زیگزاگ دربیاورید چطور؟ اگر بال‌‌ها را به جای مستطیل به صورت منحنی دربیاورید چه اتفاقی می‌‌افتد؟ چند ایده‌‌ی دیگر که به ذهنتان می‌‌رسد را نیز امتحان کنید و نتیجه را بررسی کنید. سپس سعی کنید الگویی برای هلیکوپتر کاغذی ابداع کنید که کمترین سرعت فرود را حاصل شود.

مشاهده و نتیجه‌‌گیری:

با رها کردن هلیکوپتر کاغذی، در کسری از ثانیه هلیکوپتر شروع به چرخش و کاهش سرعت می‌‌کند. به همین دلیل لازم است آن را از ارتفاعی بالا رها کنید. هلیکوپتر همچنان نیاز به مقدار مشخصی فضای عمودی دارد تا بتواند به چرخش دربیاید. با شروع چرخش، هلیکوپتر آرام به سمت زمین پایین می‌‌رود. با وصل کردن گیره‌‌ی کاغذ به هلیکوپتر وزن آن افزایش می‌‌یابد. در نتیجه با سرعت بیشتری به سمت زمین حرکت می‌‌کند. اگر اضافه کردن گیره‌‌ها را ادامه دهید در نهایت وزن هلیکوپتر کاغذی‌‌تان به قدری افزایش می‌‌یابد که هلیکوپتر بدون چرخش به زمین برخورد خواهد کرد. انجام آزمایش بر روی هلیکوپترهای کاغذی که خودتان طرح‌‌شان را داده‌‌اید بسیار هیجان‌‌انگیز و جالب خواهد بود. توجه داشته باشید که ممکن است یک طرح خاص بعنوان بهترین طرح برای هلیکوپتر کاغذی وجود نداشته باشد. بعضی از این هلیکوپترها ممکن است آهسته‌‌تر از بقیه سقوط کنند. با این وجود اگر ابعاد الگوی هلیکوپتر کاغذی‌‌تان را به اندازه‌‌ی چشمگیری تغییر دهید، ممکن است هلیکوپتر ناپایدار شود و به جای چرخش با حرکت‌هاي جست و خیزی به زمین برخورد کند.

منبع:

منابع مفيد:

 گرانش

Gبزرگ

بومرنگ (غير مرتبط ولي به دليل اهميت آيروديناميک  و نوع فرمول بندي چک کنيد.)

Helicopters Aviation منبعي نسبتاً کامل و خوب در مورد آيروديناميک هليکوپترها

What is Aerodeynamics? - NASA