مقدمه:
آیا تا به حال ویدیویی از رانش زمین یا زمین لغزه دیده‌اید؟ رانش زمین پدیده‌ی زمین شناختی ناگهانی و بسیار قدرتمندی است که در اثر وقوع آن مناطق دارای تپه‌ها، دامنه‌ها و صخره‌های ناپایدار ویران می‌شوند. رانش زمین سالیانه آسیب‌های فراوانی به مناطق مسکونی و زیستگاه‌ها وارد می‌کند. در این فعالیت علمی شما با استفاده از یک تخته شاسی و چند سکه رانش زمین را شبیه‌سازی خواهید نمود. همچنین خواهید آموخت که اصطکاک و شیب یک تپه چگونه بر این رانش‌ها تأثیرگذار است.

پیش‌زمینه:
رانش زمین فرآیندی زمین شناسی است که در آن جاذبه سبب حرکت سنگ و خاک به سمت پایین می‌شود. عوامل مختلفی می‌توانند سبب وقوع رانش زمین شوند، از جمله هوازدگی سنگ‌ها، فرسایش خاک، زمین لرزه و یا فعالیت‌های آتشفشانی.

عامل اصلی در ایجاد تمام رانش‌ها نیروی گرانش زمین است. تصور ما از نیروی گرانش نیرویی است که اجسام را به طور عمودی به سمت پایین می‌کشد، مانند زمانی که توپی را رها می‌کنید و توپ مستقیم به سمت پایین می‌رود. اما درک جاذبه در سطوح شیب‌دار کمی پیچیده‌تر است. تمام نیروها از جمله گرانش دارای اندازه و جهت هستند. بر روی یک سطح شیب‌دار، اثرات گرانشی را می‌توان به دو مولفه‌ی موازی با شیب سطح (که جسم را در جهت سطح شیب‌دار به پایین می‌کشد) و عمود بر سطح شیب‌دار تجزیه کرد. هر چه زاویه‌ی سطح شیب‌دار بیشتر شود (شیب تیزتر شود) مولفه‌ای از گرانش که موازی با سطح شیب‌دار است نیز افزایش پیدا می‌کند و در مقابل مولفه‌ی عمود بر سطح کاهش می‌یابد. به این ترتیب مقاومت در برابر حرکت به سمت پایین کم می‌شود. این مقاومت اصطکاک نام دارد و به مولفه‌ی عمودی گرانش بر روی سطح شیب‌دار، جنس سطح جسم و جنس سطح شیب‌دار وابسته است. اگر مولفه‌ی موازی با سطح شیب‌دار بزرگتر از مولفه‌ی عمودی باشد، جسم روی سطح شیب‌دار به سمت پایین حرکت می‌کند. به عبارت دیگر شیب سطح از میزان حداکثر بحرانی خود که زاویه‌ی استراحت نام دارد - و بیشترین مقدار شیبی است که در آن جسم به سمت پایین حرکت نمی‌کند و در حالت سکون باقی می‌ماند - بیشتر شده است.  

مواد و وسایل مورد نیاز:
نوار چسب شفاف
هشت عدد سکه
تخته شاسی محکم
دستمال کاغذی
خط‌کش (اختیاری)

آماده‌سازی:
یک تکه نوار چسب با طول کمی بیشتر از طول چهار سکه‌ی قرار گرفته در کنار هم آماده کنید (حدود سه و نیم اینچ). حال دو عدد سکه را در کنار هم روی نوار چسب بگذارید به طوری که با هم مماس باشند.
حال روی هر کدام از این دو سکه یک سکه‌ی دیگر بگذارید تا در نهایت دو ستون دوتایی سکه مماس با هم داشته باشید. سپس ادامه‌ی نوار چسب را طوری روی این سکه‌ها برگردانید که دو ستون سکه محکم در کنار هم قرار بگیرند. دو انتهای نوار چسب باید در بالای این سکه‌ها کمی روی هم قرار بگیرند.
همین کار را با چهار سکه‌ی دیگر انجام دهید تا در نهایت دو دسته از این سکه‌های به هم چسبیده داشته باشید.
یک تکه دستمال کاغذی با طول کمی بیشتر از طول یکی از این دسته‌های سکه و با عرضی برابر با عرض سکه ببرید. (به بیان دیگر، این تکه‌ی دستمال کاغذی باید طولی در حدود دو تا دو و نیم اینچ و عرضی در حدود یک اینچ داشته باشد.)
دو دسته‌ی سکه که به هم چسبیده‌اند را بردارید و بررسی کنید که حتماً قسمت یکدست نوار چسب در پایین قرار گرفته باشد و قسمتی که دو انتهای نوار چسب روی هم می‌افتند در بالا باشد. حال با استفاده از دو تکه‌ی کوچک نوار چسب، تکه‌ی دستمال کاغذی که بریده‌اید را طوری به یکی از دسته‌ی سکه‌ها بچسبانید که قسمت پایینی را به طور کامل بپوشاند و در دو انتها کمی به سمت بالا بیاید. این دو ناحیه محل زدن چسب‌ها هستند. دقت داشته باشید که هیچ چسبی به قسمت پایینی نزنید زیرا قسمت پایینی تنها باید با دستمال کاغذی پوشیده شده باشد. (برای این کار تکه‌ی دستمال کاغذی باید دو تا دو و نیم اینچ طول و یک اینچ عرض داشته باشد.)

روش کار:
تخته شاسی را روی یک سطح صاف قرار دهید. یک تکه‌ی بزرگ از دستمال کاغذی روی تخته شاسی بزنید.
هر دو دسته‌ی سکه (یکی با پوشش نوار چسب و دیگری با پوشش دستمال کاغذی) را در قسمت بالایی تخته شاسی بگذارید به طوری که هر دو دسته بر روی دستمال کاغذی که روی تخته شاسی را پوشانده است قرار بگیرند. این دو دسته را در جهت طولی به گونه‌ای روی تخته قرار دهید که با هم هیچ گونه تماسی نداشته باشند.
دقت کنید که هر دو دسته‌ی سکه باید طوری روی تخته شاسی قرار داشته باشند که سمت یکدست آنها در زیر و سمتی که چسب‌ها زده شده‌اند در بالا باشد. قسمت پایینی این دو دسته‌ی سکه چه تفاوتی با هم دارند؟ آیا یکی نرم‌تر و دیگری زبرتر است؟

حال سر تخته شاسی را به آرامی بلند کنید به طوری که تخته شاسی به یک سطح شیب‌دار تبدیل شود. توجه داشته باشید که انتهای تخته حتماً باید روی زمین قرار داشته باشد. با این کار کدام یک از دسته‌های سکه زودتر به پایین حرکت می‌کند؟ به محض اینکه یکی از این دسته‌ها حرکت به سمت پایین خود را شروع کرد، افزایش شیب را متوقف کنید.
این کار را ۹ مرتبه‌ی دیگر انجام دهید تا در مجموع ده آزمایش انجام داده باشید. در هر بار دقت کنید که ابتدا تخته شاسی باید صاف روی زمین باشد و دو دسته‌ی سکه کنار هم در بالای آن قرار داشته باشند. همچنین در تمام این آزمایش‌ها تخته شاسی را آرام بلند کنید. در این ده مرتبه کدام دسته‌ی سکه زودتر به سمت پایین حرکت می‌کند؟ آیا نتایجی که در این ده مرتبه به دست می‌آیند مشابه هم هستند؟
به نظر شما چرا یکی از این دو دسته زودتر پایین می‌آید؟ چرا زاویه‌ی استراحت (زاویه‌ای که بعد از آن جسم در شیب به سمت پایین حرکت می‌کند) برای دو دسته‌ی سکه متفاوت است؟ نتایجی که به دست آورده‌اید چه ارتباطی با مفهوم اصطکاک دارند؟

 
آزمایش‌های تکمیلی:
می‌توانید همین آزمایش‌ها را با استفاده از یک نقاله انجام دهید تا بتوانید زاویه‌ی تخته شاسی با زمین را اندازه بگیرید. در چه زاویه‌ای دسته‌های سکه شروع به حرکت به سمت پایین می‌کنند؟
می‌توانید چند دسته‌ی مختلف از ستون‌های سکه با اندازه و تعداد متفاوت درست کنید و زاویه‌ی استراحت را برای آنها اندازه بگیرید. اندازه‌ی دسته‌ی سکه چه تأثیری بر نحوه‌ی پایین آمدن‌اش از سطح شیب‌دار می‌گذارد؟
چند جسم کوچک جمع‌آوری کنید و این آزمایش را با آنها نیز انجام دهید. بعنوان مثال می‌توانید اشیای مختلفی با شکل‌های متفاوت با استفاده از لگو بسازید. نتایجی که این بار به دست می‌آورید شبیه نتایج قبلی است؟ چه عواملی در تعیین نحوه‌ی پایین آمدن اجسام در شیب‌های مختلف تأثیرگذار است؟

مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا با افزایش شیب تخته شاسی دسته‌ی سکه‌ای که دور آن نوار چسب کشیده شده است زودتر به سمت پایین حرکت می‌کند؟
در بیشتر موارد دسته‌ی سکه‌ای که دور آن نوار چسب زده شده است با افزایش شیب باید زودتر به سمت پایین حرکت کند. به عنوان مثال احتمال دارد در تمام ده مرتبه آزمایش، دسته‌ی سکه‌ی پوشیده شده با نوار چسب زودتر به سمت پایین حرکت کرده باشد. مقاومت در برابر حرکت به سمت پایین در سطح شیب‌دار اصطکاک نام دارد. اصطکاک وابسته به مولفه‌ی عمود بر سطح شیب‌دار گرانش و جنس سطح و جسم است. از آنجا که اصطکاک میان دسته‌ی سکه‌ی پوشیده شده با دستمال کاغذی و سطح تخته شاسی که روی آن نیز دستمال کاغذی وجود دارد بیشتر از اصطکاک میان دسته‌ی سکه‌ی پوشیده شده با نوار چسب و سطح تخته شاسی است. دسته‌ی سکه‌ی پوشیده شده با دستمال کاغذی مقاومت بیشتری برای حرکت به سمت پایین دارد. به همین دلیل برای به حرکت درآمدن این دسته‌ی سکه زاویه‌ی بیشتری بین تخته شاسی و سطح مورد نیاز است.

منبع:

 How are landslides caused?

منابع مفيد:

پيش بيني زلزله‌ها

زلزله شناسي

زمين لرزه

Landslides-WIKI

Landslides-National Geographic