المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

الهندسة

طاقة الوضع المرنة

حركة المقذوفات

 

مقدمة

كانت المجانيق أدوات عملية وجِد مفيدة للقراصنة في العصر الذهبي للقرصنة (خلال القرن السابع عشر)، كما استخدمها فرسان القرون الوسطى قبل ذلك بقرون لدك جدران الحصون الضخمة. وحتى الإغريق والرومان استخدموا المجانيق قبل 2000 عام! وهذه الآلات البسيطة تُعَد عملية ومفيدة طالما أنك تعرف كيف تصوّب قذائفها! وفي هذا النشاط العلمي ستجرب بنفسك تقنية المنجنيق. هل تستطيع أن تتوقع أين ستسقط القذيفة التي تطلقها؟

معلومات أساسية

يعمل المنجنيق لأن الطاقة يمكن تحويلها من صورة لأخرى ونقلها من جسم لآخر.

عندما تجهز المنجنيق للإطلاق، فإنك تضيف طاقة إليه، هذه الطاقة يجري تخزينها في جهاز الإطلاق في صورة طاقة وضع، أو طاقة مخزّنة. والمنجنيق الذي أنت بصدد تصنيعه يستخدم طاقة الوضع المرنة المخزّنة في عصا خشبية عندما تثنيها، وعندما تتركها تنطلق هذه الطاقة المخزنة وتتحول إلى صورة طاقة حركية وتنتقل إلى القذيفة (الشيء الذي يتم إطلاقه)، التي تطير حينها في الهواء.

ويُعَد وضع جهاز الإطلاق عندما تصبح القذيفة في الجو معيارًا مهمًّا للتصويب، ولكن هل مقدار الطاقة التي تضعها بالجهاز يُعَد عاملًا مهمًّا كذلك؟ ابدأ هذه التجربة لمعرفة الإجابة!

أدوات التجربة

  1. ثماني عصي للأعمال اليدوية (مثل عصا المثلجات)
  2. أربعة شرائط مطاطية قوية أو خمسة
  3. صمغ
  4. غطاء زجاجة بلاستيكية يكفي لحمل كرة قطنية
  5. كرة قطنية (إذا لم تكن متوفرة لديك، يمكنك صناعة كرة صغيرة باستخدام بعض الأوراق)
  6. منطقة صغيرة مفتوحة (مساحة متر مربع واحد تكفي، لكن ينبغي أن يكون سطحًا ثابتًا مستويًا مثل الطاولة أو الأرض)

الإعداد للتجربة

1- ملحوظة: المنجنيق البسيط الذي نشرحه في هذا النشاط يُعَد آمنًا عند استخدام كرات من القطن. لكن إطلاق أشياء صلبة أو استخدام مجانيق أخرى منزلية الصنع قد يكون خطيرًا. فتأكد من أن أي قذيفة تقوم بإطلاقها عبارة عن جسم لين وخفيف؛ حتى لا تؤذي أي شخص أو تتسبب في خسائر.

2- خذ ستًّا من العصي وقم برصها بعضها فوق بعض، ثم اربط هذه العصي معًا برباطين مطاطيين على طرفي المجموعة. ستقوم بتثبيت عصا الإطلاق على هذه الكومة، كما سنوضح في الخطوة التالية.

3- لإضافة عصا الإطلاق، خذ عصا واحدة واربطها عموديًّا على الكومة التي صنعتها، في منتصفها تقريبًا، فتحصل على شكل صليب. يمكنك أن تفعل هذا بشريط أو شريطين مطاطيين بحيث يكونا على شكل X فوق العصي. إذا ما ربطتها بهذه الطريقة فستبقى العصي عمودية بشكل متقن.

4- بعد ذلك، أضف قاعدة المنجنيق من خلال ربط عصا إلى أحد طرفي عصا الإطلاق باستخدام شريط مطاطي. ولولا كومة العصي الموضوعة في المنتصف، ستسقط عصا الإطلاق فوق القاعدة مباشرة. الآن أصبحت عصا الإطلاق والقاعدة تشكلان حرف V ممددًا على جانبه وكومة العصي في المنتصف.

5- ضع المنجنيق على القاعدة، حدد طرف عصا الإطلاق البارزة لأعلى واستخدم الصمغ للصق غطاء الزجاجة البلاستيكية عليها، بحيث يكون في شكل كأس صغير ليحمل القذيفة.

6- انتظر حتى يجف الصمغ.

 

خطوات التجربة

  1. ضع المنجنيق في مكان مفتوح ذي سطح ثابت ومستوٍ، مثل طاولة أو مكان مفتوح على أرض صلبة. احرص على أن تكون مساحة متر تقريبًا خالية لإتاحة مساحة تطير فيها القذيفة وتهبط.
  2. ضع الكرة القطنية في حامل القذائف، واضغط عليه لأسفل قليلًا ثم اتركه.
  3.  ماذا حدث للكرة؟ هل طارت؟ هل طارت عاليًا أم على ارتفاع منخفض؟ أين هبطت؟
  4. ماذا تتوقع أن يحدث إذا ما ضغطت حامل القذيفة لأسفل أكثر؟ هل سيجعلها ذلك تطير أعلى، أم أبعد، أم أعلى وأبعد، أم تتخذ المسار نفسه لكن ربما أسرع؟
  5. هيا نُجري اختبارًا: ضع كرتك القطنية في حامل القذائف، واضغط عليه لأسفل أكثر، ثم أطلقه ولاحظ ما يحدث. قد تحتاج لتكرار التجربة عدة مرات لتتوصل إلى ملحوظات؛ فالأمر يحدث سريعًا! هل تطير كرتك أعلى أم على ارتفاع منخفض؟ هل تهبط أبعد أم أقرب عندما تضغط لأسفل بقوة مقارنة بما يحدث عندما تضغط قليلًا؟
  6. هل لاحظت في أي من المرتين احتجت لبذل جهد أكبر؟ عندما ضغطت بقوة أقل أم عندما ضغطت بقوة أكبر؟
  7. جرب المزيد من مرات الإطلاق. هل تحصل على نتائج متشابهة في كل مرة؟ هل ما تلاحظه هو ما توقعته؟ هل تستطيع أن تشرح لماذا؟
  8. نشاط إضافي: جرب ماذا يحدث إذا ما حركت الكومة المكونة من ست عصي أقرب باتجاه حامل القذائف أو في الاتجاه الآخر؛ فهذا من شأنه أن يغير موضع عصا الإطلاق عندما تصبح القذيفة في الجو. في رأيك، كيف سيؤثر هذا التغيير على مسار حركة الكرة؟
  9. نشاط إضافي: اصنع عدة مجانيق والعب مع أصدقائك، واستخدم غطاء زجاجة قديمًا كهدف تصوب عليه. ضع المجانيق في دائرة على بعد نحو 60 سنتيمترًا من الغطاء وراقب مَن يمكنه تحقيق أكبر عدد من الأهداف. اجعل الدائرة أكبر، وانظر مَن بإمكانه أن يعدل من أسلوب الإطلاق ليلائم الوضع الجديد بشكل أفضل.

الملحوظات والنتائج

هل رأيت الكرة القطنية تطير أعلى وأبعد عندما ضغطت أكثر على عصا الإطلاق؟

عندما تقوم بثني عصا الإطلاق فإنك تحمّلها بالطاقة. وعندما تتركها، تنطلق هذه الطاقة وتتحول إلى طاقة حركية، وتنتقل أغلب هذه الطاقة إلى القذيفة التي تنطلق في الهواء.

إن الضغط أكثر على العصا يتطلب جهدًا أكبر منك؛ فربما شعرت أنك تحتاج إلى بذل المزيد من القوة أو العمل بجهد أكبر لكي تثني العصا أكثر. إن الضغط أكثر يعني تخزين المزيد من طاقة الوضع المرنة في العصا، وعندما تتركها تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية؛ لذا تطير القذيفة في الهواء بسرعة أكبر. وفي حالة المنجنيق الذي صنعته فعلى الأرجح أن القذيفة طارت أعلى وأبعد.

إن تحريك كومة العصي الست أقرب إلى حامل القذيفة يجعل عصا الإطلاق مسطحة أكثر، وهذا ينتج عنه قذيفة موجهة إلى أعلى أكثر منها إلى الأمام. أما تحريك كومة العصي في الاتجاه الآخر فيؤدي إلى خلق زاوية أكبر بين عصا الإطلاق والقاعدة، وهذا يساعد على توجيه القذيفة إلى الأمام أكثر.