مفاهيم رئيسية

الفيزياء

الطاقة الحركية

الطاقة الكامنة

قوانين حفظ الطاقة

قوانين نيوتن للحركة

 

مقدمة

حوِّل كومة من المخلفات إلى سيارة لعبة، وشاهدها تنطلق بسرعة! ستتعرف هنا على بعض مفاهيم الفيزياء وتستخدم مواد معادًا تدويرها لبناء سيارة لعبة تعمل بالبالون. يمكنك أنت وصديقك بناء سيارتين ثم جعلهما تتسابقان، ترى أي سيارة منهما ستنطلق بسرعة أكبر؟

خلفية عامة

ربما لا تبدو كذلك في البداية، ولكن سيارة بسيطة تعمل عن طريق بالون تزخر بمفاهيم الفيزياء والهندسة! عندما تنفخ البالون بالهواء، فأنت تخزن طاقة كامنة في شكل مطاط مشدود وهواء مضغوط داخله. وعندما تحرر البالون، تتحول هذه الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية، فيتطاير البالون في أرجاء الغرفة. وبعض هذه الطاقة يتحول أيضًا إلى حرارة بسبب الاحتكاك. ووفقًا لقانون حفظ الطاقة، فإن إجمالي كمية الطاقة يبقى محفوظًا. فالطاقة لا "تختفي أو تتلاشى" أبدًا، إنما تتحول فقط لشكل آخر.

ويمكن النظر إلى حركة البالون بطريقة أخرى من خلال استخدام قانون نيوتن الثالث للحركة: لكل فعل رد فعل مكافئ له في المقدار ومضاد له في الاتجاه. فعندما تملأ بالونًا بالهواء ثم تفتح الفوهة، ينقبض المطاط ويدفع الهواء خارج الفوهة. وهذا يعني أنه لا بد من وجود رد فعل مكافئ في القوة ومضاد في الاتجاه، فالهواء يضغط على المطاط، ومن ثَمَّ يدفع البالون للأمام. ويُستخدم هذا المبدأ في الصواريخ والطائرات النفاثة التي تقذف تيارًا من الغاز فائق السرعة من مؤخرة محركاتها، مما يدفع المركبة إلى الأمام. وهنا، سنستخدم المبدأ نفسه لبناء سيارة لعبة تندفع إلى الأمام بفعل تيار من الهواء المندفع من البالون في أثناء انكماشه على نفسه.

تحتوي السيارة أيضًا على آلة بسيطة: عجلات ومحور للعجلة. هذا الاختراع كان موجودًا لفترة طويلة، ولهذا نعتبره من المسلَّمات، والعديد منَّا يستقل مركبات بعجلات كل يوم. لكنك سترى أن جعل العجلات ومحور العجلات تدور بسلاسة أمر جوهري لكي تعمل سيارتك البالونية من الأساس!

المواد

  • زجاجة من البلاستيك
  • أربعة أغطية لزجاجات بلاستيكية
  • عود من الخشب
  • ماصتان
  • بالون
  • شريط لاصق
  • مقص أو سكين حاد (اطلب من شخص بالغ استخدامهما أو الإشراف على استخدامك لهما)
  • شخص بالغ للمساعدة
  •  

التحضير

  • اقطع إحدى الماصتين إلى نصفين.
  • ألصق كل نصف بجانب من زجاجة المياه البلاستيكية.
  • اقطع العود الخشبي إلى نصفين، ومرر كل قطعة خلال إحدى الماصتين، لتشكيل محاور العجلات (اطلب المساعدة من شخص بالغ).
  • اطلب المساعدة من شخص بالغ في استخدام المقص لكي تصنع ثقبًا على شكل علامة "+"، مباشرة في منتصف كل غطاء بلاستيكي من الأغطية الأربعة.
  • ضع كل غطاء عند نهاية الأعواد الخشبية وأدخلها فيه، مشكلًا العجلات.
  •  

طريقة التشغيل

  • ضع سيارتك على سطحٍ مستوٍ وأعطها دفعة قوية، ثم انظر إن كانت السيارة تسير بسهولة وتتحرك لمسافة قبل أن تتوقف. إذا توقفت السيارة أو لم تَسِر بانسيابية، فتأكد من: أن المحاور موازية لبعضها، وأن الثقب في منتصف الغطاء، وأن الماصتين ملتصقتان بإحكام بزجاجة المياه، وأنهما لا تتمايلان. يمكنك إضافة بعض الصمغ إذا لم يكن الشريط اللاصق كافيًا.
  • ألصق عنق البالون حول أحد طرفي الماصة الثانية. ولف الشريط اللاصق بإحكام حتى يصبح العنق محكم الإغلاق.
  • اصنع ثقبًا صغيرًا في أعلى زجاجة المياه بسعة تكفي لتمرير الماصة.
  • ادفع طرف الماصة الآخر الحر عبر الثقب وخارج عنق الزجاجة.
  • استخدم الشريط اللاصق لتثبيت الماصة بالزجاجة.
  • انفخ البالون من خلال النفخ في الماصة، ثم ضع إصبعك على فتحة الماصة لسد الهواء. ماذا في رأيك سوف يحدث عندما تضع السيارة على الأرض وتزيل إصبعك عن فتحة الماصة؟
  • ضع السيارة على سطح ممهد وأبعد إصبعك. ما الذي حدث؟
  • فكر في التعديلات التي يمكنك أن تجريها لكي تنطلق السيارة لمسافة أبعد.
  • ماذا يحدث إذا نفخت البالون أكثر؟
  • ماذا يحدث إذا غيرت اتجاه الماصة؟ هل تعمل السيارة بشكل أفضل إذا كانت الماصة موجهة إلى الجهة الخلفية؟
  •  

إضافات: هناك طرق مختلفة لبناء سيارة تعمل بالبالون. حوّل ذلك إلى مشروع تصميم هندسي، وجرب بناء سيارتك الخاصة بمواد مختلفة. على سبيل المثال: ما الذي يحدث إذا استخدمت علبة من الكرتون بدلًا من زجاجة بلاستيكية لجسم السيارة؟ ماذا يحدث إذا استخدمت ماصات بقطر مختلف؟ ماذا عن استخدام مواد مختلفة للعجلات وللمحاور؟ اجمع أصدقاءك وحاولوا بناء سيارات مختلفة والتسابق بها. ما المواد التي جعلت السيارات تسير على نحو أفضل؟

ملحوظات ونتائج

عندما تنفخ بالونًا ثم تطلقه، فإنه ينطلق عشوائيًّا في أرجاء الغرفة. لكن عندما تلصق البالون بماصة، وتربطه بجسم سيارتك، يمكنك حينئذٍ أن تتحكم في اتجاه الهواء المندفع منه للخارج. إذا كان طرف الماصة موجهًا للخلف، فسيدفع الهواء السيارة للأمام، وفق قانون نيوتن الثالث للحركة. وسيكون لتصميم سيارتك أكبر فاعلية ممكنة إذا كانت الماصة موجهة بشكل مستقيم للخلف وليس للأسفل أو للجانب. وكلما نفخت البالون أكثر زادت الطاقة الكامنة المخزنة فيه، والتي تتحول بعد ذلك لطاقة حركية أكبر، وفقًا لقانون حفظ الطاقة- ومن ثَم تنطلق السيارة بسرعة أكبر.

ربما تجد أن سيارتك لا تسير على نحو مثالي في المحاولة الأولى، خاصة إذا كانت محاور العجلات غير متوازية أو كانت العجلات تتمايل. وقد يؤدي الكثير من الاحتكاك إلى تعثر العجلات، وربما لا يكون البالون قويًّا بما يكفي لدفع السيارة للأمام. فاختبر سياراتك لكي تتأكد من دوران العجلات بحرية، ومن سيرها بسهولة عندما تعطيها دفعة. فإذا لم تكن كذلك، ربما ينبغي عليك أن تُجري بعض التعديلات على التصميم. كما ينبغي أن تحرص على إحكام الإغلاق حتى لا يتسرب الهواء من البالون عند موضع التصاقه بالماصة، وأعد لصقه مرةً أخرى بإحكام أكبر إذا لزم الأمر.

تأتيكم هذه التجربة بالشراكة مع منظمة أصدقاء العلوم ("ساينس باديز" Science Buddies).