المفاهيم الرئيسية

فيزياء

هندسة

تروس

ميكانيكا

مقدمة

هل تعلم أن التروس توجد في كل مكان حولك؟ يمكنك العثور عليها في الألعاب التي تعمل بالزنبرك والدراجات ودوامات الخيل والسيارات والشاحنات والرافعات والمثاقب وتوربينات الرياح والساعات التناظرية، وما إلى ذلك! إذا نظرت عن كثب إلى دراجة متحركة، فقد رأيت للتو مثالًا حيًّا على عمل التروس. هل تشعر بالفضول لمعرفة الغرض من وجودها؟ في هذا النشاط، ستستخدم الحلوى لتصنع تروسًا وتكتشف لماذا تتعدد استخداماتها إلى هذا الحد.

معلومات عامة

يُعَد الترس نوعًا خاصًّا من العجلات؛ فهو عبارة عن قرص له نهايات، تسمى الأسنان، تحيط بحوافه. في معظم الأحيان، تتعاشق أسنان اثنين من التروس، مما يجعل العجلتين تدوران معًا. في بعض الأحيان تتعاشق الأسنان مع سلسلة تربط التروس معًا. ربما سبق أن رأيت هذا الإعداد في الدراجات.

تسهل التروس على البشر والمحركات مختلف المهمات. ففي العديد من الآلات، يدير البشر أو المحركات محورًا ما (قضيب يمتد عبر عجلة أو ترس)، واستخدام التروس المناسبة يمكن أن يجعل الدوران أكثرَ كفاءة.

إن اختيار التوليفة المناسبة من التروس هو المفتاح لتحقيق كفاءة العمل. بعض الدراجات يتيح لك اختيار التروس، وبناءً على اختيارك، ستقوم السلسلة بربط أحجام مختلفة من التروس، مما يتيح لقائد الدراجة العديد من خيارات القوة والكفاءة؛ إذ تتيح له اجتياز تلة شديدة الانحدار، أو الانطلاق بسرعة كبيرة عند هبوط المنحدرات، كل ذلك بالدراجة ذاتها. إن الاستخدام الجيد للتروس يتيح لقائدي الدراجات ضبط دراجاتهم وفقًا للظروف التي يقودون دراجاتهم في ظلها.

المواد اللازمة

• ما لا يقل عن غطاءين دائريين من البلاستيك أو الورق المقوى بأحجام مختلفة. الأغطية ذات الأقطار 5 سم و 12 سم ستكون مناسبة.

• مقص أو سكين.

• ما لا يقل عن 15 قطعة حلوى من النوع نفسه، مثل حلوى الجيلاتين بنكهة التوابل، أو المصنوعة من  شراب الذرة أو البكتين.

• قطعة كبيرة من قصاصات الورق.

• غراء. (مسدس الغراء الساخن سيكون مناسبًا)

• ما لا يقل عن اثنين من المشابك دائرية الرأس. (تلك المشابك التي لها حدان قابلان للثني  يُستخدمان لربط الورق معًا)

• قطعة من الورق المقوى، بمقاس لا يقل عن 20 × 30 سم.

• قلم تخطيط دائم.

• عيدان أسنان.

• ورقة.

• مساعدة من أحد البالغين.

• غطاء بقطر 18 سم تقريبًا. (اختياري)

• مشابك إضافية. (اختياري)

التحضيرات

• ابدأ بالغطاء الأكبر حجمًا من الغطاءين الأولين (على سبيل المثال، الغطاء ذو المقاس 12 سم) لصنع قرص الترس الأول.

• حدد موقع مركز الغطاء. (خذ وقتك في تحديد موقع المركز؛ لأن هذا أمر مهم لجعل التروس تدور بسلاسة).

• اطلب من شخص بالغ عمل ثقب صغير في مركز الغطاء بعناية باستخدام المقص أو السكين. ضع مشبكًا في الثقب، واختبر ما إذا كان القرص يدور بحرية حول المشبك أم لا. إذا لم يكن يدور بسلاسة، فاجعل الثقب أكبر قليلًا وجربه مرةً أخرى.

• رتب عددًا زوجيًّا من قطع الحلوى حول حافة الغطاء، بحيث تلامس قاعدة كل قطعة حلوى القرص. يجب أن تكون قطع الحلوى قريبة جدًّا بعضها من بعض ولا تزيد المسافة بينها عن بضعة ملليمترات.

• عليك بإزالة كل قطع الحلوى الأخرى، وسيؤدي ذلك إلى ترك مساحة لقطع الحلوى (أسنان الترس) لتتعاشق مع قطع الحلوى على ترس آخر.

• ارسم نقطة على حافة الغطاء مكان كل قطعة حلوى؛ حتى تتذكر مكان لصقها عليها.

• ضع الغطاء على قطعة من قصاصات الورق بحيث يكون جانبه المسطح موجهًا إلى الأسفل. ألصق قطع الحلوى على الغطاء بالغراء حتى تلمس جوانبها الورقة (اطلب مساعدة من شخص بالغ في حالة استخدام مسدس الغراء الساخن). هذا يضمن أن تكون قطع الحلوى مستويةً عند لصقها.

• دع الغراء يجف بينما تكرر هذه العملية مع الغطاء الأصغر حجمًا. جهّز اثنين على الأقل من الأغطية بأحجام مختلفة قبل بدء التجربة. يمكنك صنع المزيد في وقت لاحق.

• تأكد من أن الغراء قد جف وأن قطع الحلوى مستقرة قبل أن تبدأ الخطوات التالية.

الخطوات

• اطلب مساعدة شخص بالغ في عمل ثقب صغير بالقرب من منتصف الورق المقوى. سوف تستخدم هذا الثقب لربط أكبر الترسين، اللذَين قمت بإعدادهما، بالورق المقوى.

• مرر مشبكًا من خلال الثقب في الترس الأكبر، ثم من خلال الثقب في الورق المقوى. اثنِ ذراعيه بحيث يتم تثبيت القرص بالورق المقوى. اختبر ما إذا كان القرص يدور بحرية حول المشبك أم لا، ثم أدخل تعديلات إذا اقتضت الحاجة.

• ضع الترس الأصغر إلى الجهة اليسرى من الترس الأكبر بحيث تتعاشق إحدى أسنانه مع اثنتين من أسنان الترس الأكبر. اجعل سن أحد التروس قريبةً من حافة الترس الآخر دون أن تلمسها تمامًا (على بُعد بضعة ملليمترات فقط من الحافة).

• ارسم علامة على هذا الموقع على الورق المقوى، واطلب من شخص بالغ المساعدة في إحداث ثقب فيه.

• اربط الترس الأصغر بالورق المقوى بواسطة مشبك.

في اعتقادك، ماذا سيحدث عند إدارة أحد هذه التروس؟

• حاول تجربة ذلك! ماذا يحدث عند إدارة أحد الأقراص؟ ماذا عن دوران القرص الآخر؟

• جرّب الآن إدارة القرص الآخر. هل كان توقعك صحيحًا؟ هل يمكنك معرفة القرص الذي دار بسرعة أكبر؟

• لتيسير معرفة مدى سرعة دوران الأقراص، استخدم قلم التخطيط لرسم خط يصل مركز هذين الترسين.

• أدر الترس الأصغر إلى أن يكمل دورةً كاملةً. إلى أي مدى تحرك الترس الأكبر؟ هل أكمل دورة كاملة بالضبط أم أقل أم أكثر؟ هل يمكنك الآن معرفة القرص الذي دار بسرعة أكبر؟ وما السبب وراء حدوث ذلك؟

هل لاحظت في أي اتجاه تدور التروس؟ هل يدور كلاهما في الاتجاه نفسه أم في اتجاهين متعاكسين؟ وما السبب وراء حدوث ذلك؟

• نشاط إضافي: استخدم غطاءً بقطر أكبر من قطر الغطائين الذين استخدمتهما حتى الآن، وذلك لتصنع ترسًا أكبر حجمًا، واربطه على يمين مجموعة التروس حتى تتعاشق أسنانها. برأيك ماذا سيحدث إذا قمت بإدارة ترس واحد من هذه المجموعة؟ هل يمكنك معرفة الترس الذي سيكون الأسرع دورانًا، والترس الذي سيكون الأبطأ؟ هل يمكنك التنبؤ بالاتجاه الذي سيدور فيه الترسان الآخران عند إدارة الثالث؟

• نشاط إضافي: اصنع المزيد من التروس بأحجام مختلفة ومتساوية، وجرّب توليفات مختلفة.

• نشاط إضافي: احسب عدد الأسنان الموجودة على مجموعة من التروس المتعاشقة، واستخدم هذه الأرقام لمعرفة إلى أي مدى تزداد سرعة دوران ترس أكبر حجمًا عندما يتعاشق مع آخر أصغر حجمًا.

• نشاط إضافي: جميع التروس في هذا النشاط كانت مربوطة بقطعة مسطحة من الورق المقوى. هل يمكنك صنع إعداد يكون فيه أحد التروس في وضع زاوية قائمة مع ترسٍ ثانٍ؟

• نشاط إضافي: المحور هو قضيب يمر في منتصف أحد التروس. تدور التروس التي صنعتها في هذا النشاط حول محاورها. في بعض الأحيان تكون التروس مثبتةً في محورها، ويدور هذا المحور. هل يمكنك صنع نظام يكون فيه ترس واحد على الأقل مثبتًا في محور؟ ماذا يحدث إذا ألصقت تروسًا ذات أحجام مختلفة في المحور نفسه؟ متى يمكن أن يكون إعداد مثل هذا مفيدًا؟

• نشاط إضافي: ابحث عن الأدوات والآلات الموجودة في منزلك والحي الذي تقطنه والتي تحتوي على تروس. هل يمكنك معرفة سبب استخدام التروس في هذه الأدوات؟

الملحوظات والنتائج

لعلك قد لاحظت أنه كلما صغر حجم الترس، زادت سرعة دورانه. يحدث هذا لأن التروس الأصغر حجمًا تحتوي على عدد أقل من الأسنان. هل لاحظت أيضًا أنه عندما تتعاشق التروس معًا يكون اتجاه الدوران عكس اتجاه دوران الترس الآخر؟

تحتوي التروس الأصغر حجمًا على عدد أقل من الأسنان، وبالتالي فإنها -مقارنةً بالتروس الأكبر حجمًا- تدور عبر عدد أقل من الأسنان قبل إكمال دورة كاملة، وهو ما يتيح لها الدوران بسرعة أكبر. تأمل مثالًا يتصل فيه ترس له اثنتا عشرة سنًّا بترس آخر له ست أسنان. يدور الترس ذو الاثنتي عشرة سنًّا بسرعة تبلغ نصف سرعة دوران الترس الأصغر حجمًا؛ لأن لديه ضعف عدد الأسنان. تضمن آلية التعشيق أن يمر عدد الأسنان نفسه بالنقطة التي تتعاشق فيها. عندما يدير أحد التروس ست أسنان، سوف يدير الآخر أيضًا ست أسنان، وعندما يكمل الترس ذو الأسنان الست دورة كاملةً، فإن الترس الثاني سيكون قد أدار ستًّا فقط من أسنانه الاثني عشر، بحيث يكمل نصف دورة فقط، وبالتالي يدور بسرعة تبلغ نصف سرعة دوران الترس الأصغر حجمًا.

More to Explore
Gears Basics, from ScienceOnline
Gears-Go-Round! from Science Buddies
Jack and Jill Went Up a Hill and Came Biking Down After: Choosing the Best Gear Ratio for Speed, from Science Buddies
Train Wheel Science, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

This activity brought to you in partnership with Science Buddies

Science Buddies