المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الديناميكا الهوائية

الطيران

الثبات

 

مقدمة

"انطلاق!"… هل سبق لك أن لعبت بنموذجٍ لصاروخ أو لعبةٍ على شكل صاروخ، أو شهدت إطلاق صاروخ حقيقي على شاشة التليفزيون؟ في هذا النشاط، سنعمل على صناعة صواريخ بسيطة من الورق، وستُطْلقها من خلال النفخ في ماصة للشرب. فهل بإمكانك صنع الصاروخ الذي يحلق لأبعد مدى؟

معلومات أساسية

جميع الأجسام الطائرة، من الصواريخ والطائرات إلى الطيور، تشترك في صفة واحدة: الحاجة إلى الحفاظ على ثباتها في أثناء الطيران. على الأرجح مفهوم "الثبات" مألوف بالنسبة لك في الأجسام التي تتحرك على الأرض. هل استعملت عجلات التدريب الإضافية الصغيرة عندما كنت تتعلم قيادة الدراجات؟ تساعد عجلات التدريب على الحفاظ على ثبات الدراجة كي لا تسقط أنت عنها. المفهوم نفسه ينطبق على الأشياء الطائرة؛ فهي تحتاج لأن تظل موجهة في الاتجاه نفسه عندما تطير إلى الأمام دون أن تدور أو تهبط، بما قد يؤدي إلى سقوطها وتحطُّمها.

لعلك لَحَظت أن الصواريخ الفلكية والعسكرية تتمتع عادةً بزعانف مثلثة الشكل عند قواعدها. ينطبق هذا الأمر كذلك على الأجسام الطويلة النحيلة الأخرى التي تطير في الهواء بسرعة، كما هو الحال مثلًا مع الأسهم. فما فائدة هذه الزعانف؟ هل تستطيع أن تساعد الصواريخ على الطيران بطريقة أفضل؟ جرب هذا النشاط لتعرف الإجابة!

أدوات التجربة

ورقتان

مقص

قلم رصاص

ماصة شرب

شريط لاصق

مسطرة

مساحة خالية لتطلق فيها "صواريخك"، مثل غرفة كبيرة أو رواق، أو مكان في الهواء الطلق لا رياح فيه

شريط قياس (اختياري)

الإعداد للتجربة

اجمع كل المواد التي ستحتاجها لهذا النشاط.

خطوات التجربة

  • قص إحدى الورقتين لتصبح أربعة مستطيلات أصغر حجمًا، وذلك بقص الورقة من المنتصف طولًا وعرضًا. سيتيح لك ذلك صنع أربعة صواريخ.
  • اجعل أحد المستطيلات الورقية ملفوفًا على القلم الرصاص ليصبح على شكل أسطوانة، واحرص على أن يكون الضلع الطويل للورقة على طول القلم.
  • استخدم الشريط اللاصق لغلق الأسطوانة وتثبيتها على حالها كي لا تنفرد الورقة (لكن دون أن تلصقها بالقلم).
  • أخرج القلم من الأسطوانة، وقم بثني إحدى نهايتَيها كي تغلقها، وأحكم إغلاقها بالشريط اللاصق (ستكون هذه هي النهاية "الأمامية" للصاروخ)، واترك النهاية الأخرى مفتوحة. ستكون هذه الأسطوانة هي صاروخك الأول، دون زعانف.
  • في ظل وجود متسع كبير أمامك لإجراء التجربة، وغياب أي عوائق مثل قطع الأثاث أو الأشخاص، استعد لإطلاق صاروخك الأول! ضعه على ماصة الشرب، ووجه الماصة نحو الأمام، ثم انفخ فيها بأقصى قوة لديك. شاهد صاروخك وهو يطير، ما المسافة التي يقطعها؟ هل يطير باستقامة أم أنه يتقلب في الجو؟
  • أطلق صاروخك بضع مرات أخرى لترى إن كان يطير بالطريقة نفسها أم لا. وإذا أردت تسجيل المسافات التي يقطعها الصاروخ، فاحرص على أن تطلقه في كل مرة من المكان نفسه، وقِس المسافة إلى المواضع التي يهبط فيه بشريط القياس.
  • اصنع صاروخًا ورقيًّا آخر باتباع الخطوات السابقة. ولا تنسَ أن تغلق إحدى نهايتيه وتحكم إغلاقها بالشريط اللاصق.
  • ولكن هذه المرة ستصنع زعانف للصاروخ. قص من الورقة الأخرى مثلثين قائمين (يتمتع كل منهما بزاوية واحدة قدرها 90 درجة). يجب أن يكون الضلع الطويل في كل من المثلثين بطول نحو ثمانية سنتيمترات. ستطوي كل مثلث لصنع زعنفتين، وبالتالي سيكون لديك في النهاية أربع زعانف.
  • ارسم خطًّا يقسم المثلث إلى نصفين (من الزاوية القائمة إلى منتصف الضلع الطويل للمثلث).
  • ارسم خطين موازيين للخط الأول (خط على كل جانب) على بعد خمسة مليمترات تقريبًا منه.
  •  اطوِ المثلث على طول هذين الخطين، ستكون النتيجة مثلثين بارزين في الهواء (الزعنفتين)، مع جزء مسطح يصل بينهما في الوسط.
  • ألصِق الجزء المستوي على جانب الأسطوانة من جهة النهاية المفتوحة (والتي تمثل قاعدة الصاروخ أو أسفله).
  • كرر هذه الخطوات على المثلث الآخر وألصِقه بالأسطوانة على الجهة المقابلة للمثلث الأول. يجب أن تكون النتيجة أربع زعانف تشكل علامة (+) إذا نظرت إلى الصاروخ من أي من النهايتين. وإذا تطلب الأمر، قم بثني الزعانف بحيث تكون متباعدة بزاوية 90 درجة عن بعضها.
  • ضع الصاروخ الجديد على ماصة الشرب وأطلقه. ما المسافة التي يقطعها؟ كيف يطير مقارنة بالصاروخ الأول عديم الزعانف؟ هل يطير لمسافة أبعد؟ هل يتقلب في الهواء أم يطير بشكل مستقيم؟ هل تعتقد أن الزعانف تدعم ثبات الصاروخ؟
  • أطلقه بضع مرات أخرى، وإذا كنت تقيس المسافة التي يقطعها كل صاروخ، استخدم شريط قياس وسجل المسافة التي قطعها.
  • نشاط إضافي: جرب أعدادًا مختلفة من الزعانف. ما الذي يحدث مثلًا إذا استخدمت زعنفتين اثنتين فقط بدلًا من أربع؟
  • نشاط إضافي: جرب أشكالًا مختلفة للزعانف. ما الذي يحدث مثلًا إذا ما استخدمت زعانف نصف دائرية بدلًا من مثلثة الشكل؟
  • نشاط إضافي: جرب تثبيت الزعانف عند مواضع مختلفة على طول الصاروخ؟ هل تعمل الزعانف كما ينبغي إذا قمت بثبيتها في الوسط أو عند مقدمة الصاروخ بدلًا من نهايته؟

الملحوظات والنتائج

ستلحظ أن الصاروخ عديم الزعانف طار مستقيمًا في البداية ثم ما لبث أن اتخذ مسارًا لولبيًّا ليخرج بذلك عن السيطرة، كما يمكن أن يكون قد تقلب في الهواء واضطرب وهو يهبط على الأرض كما لو أنه ورقةٌ سقطت من على شجرة. ذلك لأن الصاروخ لم يكن مزودًا بزعانف تحفظ ثباته على مساره؛ فإذا ما بدأ في الدوران قليلًا، سرعان ما سيأخذ في الدوران بسرعة أكبر حتى يفقد السيطرة تمامًا. على النقيض من ذلك، يجب أن يكون الصاروخ الثاني المزود بزعانف قد طار بشكل مستقيم، وبالتالي طار لمسافة أطول بكثير؛ وذلك لأن الزعانف تساعد في الحفاظ على ثبات الصاروخ على مساره أو متجهًا نحو الجهة نفسها. وإذا ما انحرف الصاروخ قليلًا، فإن الزعانف تساعده على استعادة اتجاهه الأصلي.