مفاهیم کلیدی: فیزیک، آیرودینامیک، پرواز، تعادل
مشاهده علمی ۱۷۹
:مقدمه
آیا تا به حال با مدل یا اسباب‌بازی موشک بازی کرده‌اید یا پرتاب موشک واقعی را در تلویزیون تماشا کرده‌اید؟ در این فعالیت علمی شما با استفاده از کاغذ موشک‌هایی ساده می‌سازید و با دمیدن در یک نی آشامیدنی آنها را پرتاب می‌کنید. آیا می‌توانید موشکی با قابلیت طی مسافت بسیار زیاد در هوا بسازید؟
پیش‌زمینه:
تمام اجسامی که پرواز می‌کنند از جمله موشک‌ها، هواپیماها و حتی پرندگان در این مسئله مشترک هستند: آنها باید در حین پرواز تعادل و ثبات داشته باشند. شما با معنای ثبات و تعادل در مورد اجسام روی زمین آشنا هستید. آیا در کودکی برای یادگیری دوچرخه‌سواری از چرخ‌های کمکی استفاده کرده‌اید؟ چرخ‌های کمکی تعادل دوچرخه را حفظ می‌کنند تا شما به زمین نخورید. همین مفهوم در مورد اشیایی که پرواز می‌کنند نیز وجود دارد. در حین پرواز به جلو اجسام باید همواره در یک جهت قرار داشته باشند و چرخش و لغزش که منجر به سقوط می‌شود نداشته باشند.
ممکن است متوجه این موضوع شده باشید که موشک‌ها معمولاً باله‌هایی در انتهای خود دارند. این موضوع در مورد سایر اشیای نازک که با سرعت بالا در هوا پرواز می‌کنند، مانند نیزه، نیز صدق می‌کند. هدف از وجود این باله‌ها چیست؟ آیا این باله‌ها به پرواز بهتر موشک کمک می‌کنند؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید.
مواد و وسایل مورد نیاز:
- دو ورق کاغذ
- قیچی
- مداد
- نی آشامیدنی
- نوار چسب
- خط‌کش
- فضایی باز برای پرتاب موشک‌هایی که می‌سازید، مانند یک اتاق یا راهروی بزرگ یا فضایی باز بیرون از خانه در شرایطی که باد نوزد.
- متر اندازه‌گیری (اختیاری)
آماده‌سازی:
تمام وسایل مورد نیاز خود را در محل انجام آزمایش جمع کنید.
روش کار:
- یک کاغذ را از وسط در جهت طولی و عرضی ببرید تا چهار مستطیل کوچکتر و هم اندازه ایجاد شود. بدین ترتیب چهار موشک خواهید ساخت.
- یکی از این مستطیل‌های کوچک را به دور یک مداد بپیچید تا یک استوانه تشکیل شود، به طوری که ضلع بلندتر مستطیل در امتداد طول مداد باشد.
- کاغذ استوانه‌ای را به دور مداد چسب بزنید تا باز نشود. (چسب را تنها روی کاغذ بزنید نه روی مداد.)
- استوانه را از کاغذ خارج کنید. یک انتهای استوانه را ببندید و روی آن چسب بزنید. (این قسمت جلویی موشک شماست.) انتهای دیگر استوانه را باز بگذارید. این سازه اولین موشک شماست که هیچ باله‌ای ندارد.
- در فضایی بزرگ و مناسب برای پرتاب موشک که در آن هیچ مانعی مانند وسایل یا افراد وجود ندارد آماده‌ی پرتاب اولین موشک خود باشید. موشک را روی یک نی آشامیدنی بزنید. نی را به سمت جلو نشانه بگیرید و با تمام قدرتتان در آن بدمید. حال به حرکت موشک خود دقت کنید. آیا موشک مستقیم پرواز می‌کند یا در هوا به بالا و پایین می‌رود؟
- چند مرتبه‌ی دیگر این موشک را پرتاب کنید و بررسی کنید که آیا در تمام دفعات نحوه‌ی پرواز موشک یکسان است یا خیر. اگر می‌خواهید مسافت طی شده توسط موشک را اندازه بگیرید در تمام دفعات آن را از یک نقطه پرتاب کنید و محل برخورد موشک با زمین را با متر اندازه بگیرید.
- یک موشک کاغذی دیگر به همین ترتیب بسازید و یک انتهای آن را ببندید.
- تفاوت موشک دوم با اولی داشتن باله است. دو مثلث قائم‌الزاویه از کاغذ دومی که دارید ببرید. وتر این مثلث باید حدوداً هشت سانتیمتر باشد. هر کدام از این مثلث‌ها دو باله را می‌سازند. به این ترتیب چهار باله برای این موشک خواهید داشت.
- از گوشه‌ی با زاویه‌ی نود درجه خطی مستقیم به سمت وتر بکشید به طوری که این خط در محل رسیدن به وتر آن را نصف کند.
- دو خط موازی با این خط در دو قسمت با فاصله‌ی پنج میلیمتری از آن رسم کنید.
- حال مثلث را از روی این دو خط تا کنید. نتیجه دو مثلث به سمت بالا (دو باله) است که توسط تکه‌ای کاغذ مسطح در پایین به هم متصل هستند.
- قسمت متصل کننده‌ی دو باله (تکه کاغذ صاف) را به کناره‌ی استوانه در نزدیکی انتهای باز آن بچسبانید.
- همین مراحل را در مورد مثلث دوم انجام دهید و آن را به قسمت مقابل دو باله‌ی قبلی در دیواره‌ی استوانه بچسبانید. بدین ترتیب چهار باله در انتهای موشک دارید که اگر از دو سر موشک به آنها نگاه کنید به شکل علامت مثبت هستند. در صورت لزوم باله‌ها را بیشتر یا کمتر تا کنید تا زاویه‌ی آنها با هم نود درجه باشد.
- موشک دوم را دور نی بگذارید و آن را پرتاب کنید. موشک چه مسافتی طی می‌کند؟ این موشک در مقایسه با موشک اول چگونه پرواز می‌کند؟ آیا مسافت بیشتری را طی می‌کند؟ این موشک مستقیم پرواز می‌کند یا در حرکت خود بالا و پایین می‌شود؟ به نظرتان وجود باله‌ها به حفظ تعادل موشک در حین پرواز کمک می‌کند؟
- موشک دوم را چند مرتبه‌ی دیگر پرتاب کنید. می‌توانید در تمام دفعات موشک را از یک نقطه پرتاب کنید و با متر مسافت طی شده را اندازه بگیرید.
آزمایش‌های تکمیلی:
- تعداد متفاوت باله را امتحان کنید. به عنوان مثال اگر به جای چهار باله از دو باله استفاده کنید چه اتفاقی می‌افتد؟
- اشکال مختلف باله را امتحان کنید. به عنوان مثال اگر به جای باله‌های مثلثی باله‌های نیم دایره‌ای به کار ببرید موشک چگونه پرواز می‌کند؟
- باله‌ها را در نقاط مختلف از موشک وصل کنید. اگر باله‌ها را در مرکز یا ابتدای موشک بچسبانید چه اتفاقی می‌افتد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که موشک بدون باله در ابتدا مستقیم حرکت می‌کند اما به سرعت از مسیر مستقیم خود خارج می‌شود. حرکت این موشک ممکن است مانند افتادن یک برگ از درخت باشد. دلیل این اتفاق نداشتن باله برای حفظ تعادل موشک است. با چرخش و حرکتی بسیار کوچک موشک به سرعت از تعادل خارج می‌شود و کنترل خود را از دست می‌دهد. در مقابل، موشک دوم که باله دارد با تعادل بیشتری پرواز می‌کند و مسافت بیشتری را طی می‌کند، زیرا باله‌ها به حفظ تعادل موشک و مستقیم حرکت کردن آن کمک می‌کنند. اگر موشک حرکتی بسیار کوچک خارج از مسیر بکند، باله‌ها به حفظ تعادل مجدد آن کمک می‌کنند.
منبع:
منابع مفید: