المفاهيم الأساسية

الفيزياء

القوى

الاحتكاك

الهندسة

مقدمة

هل هذا مركب شراعي أم سيارة شراعية؟ صمِّم واصنع سيارة لعبة تعمل بطاقة الرياح في هذا المشروع الهندسي المرِح!

الخلفية العلمية

الأرجح أنك شاهدت من قبل مركبًا شراعيًّا، لكنك ربما لم تشاهد «سيارة شراعية». فلماذا لا يتوافر لدينا المزيد من السيارات التي تعمل بطاقة الرياح؟ يتعين على المراكب الشراعية السير في مسار متعرج لكي تبحر في اتجاه هبوب الريح مباشرةً. والأرجح أنه لن يكون آمنًا أن تكون لدينا سيارات تسير في مسارات متعرجة تملأ الطرقات في يوم عاصف! لكن على الرغم من أن استخدام سيارة شراعية على الطريق في الحياة الواقعية يُعَد أمرًا غير عملي، فإن صناعة سيارة شراعية لعبة هو مشروع هندسي مسلٍّ.

عندما يدفع الهواء المار شراع سيارتك فإنه يبذل قوةً على الشراع، وهذه القوة تدفع السيارة إلى الأمام. إلا أن تلك القوة يجب أن تكون كبيرةً بما يكفي للتغلب على أي احتكاك في محوري الدوران. ويمكن أن يكون هذا الاحتكاك كبيرًا إذا كانت محاذاة المحورين مختلةً أو كانت العجلات متذبذبة. وقد تعتقد أنه يمكنك دائمًا أن تجعل سيارتك أسرع عن طريق تثبيت شراع أكبر؛ فالشراع الكبير يجمع المزيد من الهواء، فيُنتج قوةً أكبر، وهو ما يجعل السيارة تسير بسرعة أكبر، أليس كذلك؟ ليس بالضرورة! فالشراع الأكبر هو أيضًا شراع أثقل (إذ إن له كتلة أكبر). والأمر يتطلب قوةً أكبر لتحريك كتلة أكبر، والسيارة الثقيلة سيكون محوراها أكثر احتكاكًا. فإذا كان الشراع أكبر مما ينبغي، فيمكن أن يجعل السيارة ثقيلة جدًّا من أعلى بحيث تنقلب. فما الحجم الأنسب للشراع ليعمل على أفضل وجه؟ جرب هذا النشاط لتعرف ذلك!

المواد المستخدمة

  • ورق كرتون مقوى مموج
  • ورق سميك أو بطاقات
  • ثلاثة أعواد خشبية
  • ماصّتان بلاستيكيتان
  • أربعة أغطية لزجاجات بلاستيكية
  • شريط لاصق
  • مقص
  • سكين متعدد الاستخدامات
  • مروحة
  • ردهة طويلة أو غرفة واسعة (الأرضيات الملساء ستكون أفضل)
  • شخص بالغ للمساعدة

الإعداد للتجربة

  • اقطع قطعةً من الكرتون المقوى بحذر لتشكيل جسم سيارتك.
  • ألصق الماصتين بالجزء السفلي من سيارتك، واحدة عند كل طرف، واحرص على أن تكون الماصتان متوازيتين.
  • اطلب مساعدة الشخص البالغ في استخدام السكين متعدد الاستخدامات لكي يصنع ثقبًا على شكل علامة «+» في منتصف كل غطاء بلاستيكي من أغطية الزجاجات الأربعة.
  • أدخل أحد الأعواد الخشبية عبر الثقب في أحد أغطية الزجاجات (ويُرجى إدخاله بعيدًا عن وجهك!).
  • أدخل الطرف الآخر للعود في إحدى الماصّتين.
  • أدخل غطاء زجاجة في طرف العود في الجهة المقابلة لغطاء الزجاجة الأول. وبذلك تكون قد صنعت للتو محورًا بعجلتين لسيارتك!
  • كرر هذه الخطوات لصُنع المحور الآخر.
  • تأكد من أن المحورين يدوران بِحُرية وأن السيارة تتحرك بسلاسة دون تعثُّر. وإذا لزم الأمر، اضبط العجلات حتى لا تكون متذبذبةً أكثر مما ينبغي.
  • اطلب المساعدة من الشخص البالغ في استخدام السكين متعدد الاستخدامات لكي تصنع ثقبًا صغيرًا في منتصف قطعة الورق المقوى.
  • أدخل عودًا خشبيًّا في الفتحة لصنع سارية لشراع سيارتك. ثبته جيدًا عند القاعدة بكثير من قطع الشريط اللاصق. وإذا كان لا يزال متذبذبًا، يمكنك تدعيمه قُطْرِيًّا بقطع من الورق المقوى.
  • اصنع ما لا يقل عن ثلاثة أشرعة بالشكل نفسه ولكن بأحجام مختلفة. فعلى سبيل المثال، بالنسبة للأشرعة المستطيلة، يمكنك استخدام ورقة كاملة، ونصف ورقة، وربع ورقة.
  • الآن لديك سيارة شراعية وأشرعة جاهزة للاختبار!

الخطوات

  • أدخل العود عموديًّا في طرفي أصغر شراع لديك لتثبيته في مكانه.
  • ضع المروحة على الأرضية في نهاية الردهة الطويلة أو الغرفة الواسعة.
  • ضع السيارة أمام المروحة، وشغِّل المروحة. ما المسافة التي قطعتها سيارتك قبل أن تتوقف؟
  • استخدم الشراع التالي الأكبر حجمًا بدلًا من الشراع الأصغر، ثم أعد المحاولة. ما المسافة التي قطعتها سيارتك هذه المرة؟
  • جرِّب بالشراع الأكبر حجمًا. هل قطعت السيارة المسافة التي توقعتها؟
  • نشاط إضافي: جرِّب أشرعةً مختلفة الشكل. ما الشكل الذي يعمل على أفضل نحو؟
  • نشاط إضافي: إذا كانت لديك مروحة متغيرة السرعة، جرِّب النشاط على سرعات مختلفة للمروحة. كيف تؤثر سرعة المروحة على المسافة التي تقطعها سيارتك أو على سرعتها؟

الملحوظات والنتائج

لعلك لاحظتَ أنه بالشراع الأصغر، بدأت سيارتك في الحركة ببطء شديد. تبذل الرياح قوة قليلة على الشراع الأصغر حجمًا، لذا ربما كان من الصعب التغلُّب على الاحتكاك في المحورين حتى تتمكن السيارة من بدء التحرُّك. وسوف تبدأ السيارة في الحركة بسرعة أكبر وتقطع مسافةً أطول بالشراع الأكبر. ولكن يمكن أن يتناقص هذا التأثير كلما زاد حجم الأشرعة أكثر. ففي نهاية المطاف، لا يستطيع الهواء الإضافي الذي يلتقطه الشراع أن يوازي إجمالي الوزن الإضافي للشراع، وهكذا فإن الاستمرار في تكبير حجم الشراع لن يجعل السيارة تقطع مسافةً أطول.

More to Explore
The Physics of Sailing: How Does a Sailboat Move Upwind? from Physics Central
Build a Wind-Powered Car, from Science Buddies
Build a Rubber Band–Powered Car, from Scientific American
Build a Balloon-Powered Car, from Scientific American
STEM Activities for Kids!, from Science Buddies

هذا النشاط مقدم لكم بالاشتراك مع "ساينس باديز"Science Buddies