المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

الهندسة

النسبة

الاستقرار

القوى

مقدمة

إذا كنتَ قد بنيتَ من قبل أبراجًا باستخدام المكعبات، فمن المرجّح أنك أسقطت بعضها -عن عمد أو عن طريق الخطأ- أحيانًا يصبح البرج الذي تبنيه طويلًا للغاية ومتأرجحًا، ولا يمكنك أن تبقيه قائمًا بسهولة.

في هذا النشاط سوف تتعلم المفاضلات التي تحتاج إلى تقديرها عند بناء برج طويل ومستقر.

معلومات خلفية

ما الذي يُحدِّد إذا ما كان برج من القوالب سوف يبقى قائمًا أم ينهار؟

تأمَّل قالبًا على شكل مستطيل في وضع أفقي على الأرض، هذا القالب ذو قاعدة عريضة بالنسبة إلى ارتفاعه، ولذلك يكون مستقرًا للغاية، إذا دفعتَ جانبه بإصبعك، من المرجَّح أنه سينزلق جانبيًا لكنه لن ينقلب، والآن خذ نفسَ القالب وأقِمه رأسيًا على إحدى نهايتيه، القاعدة الآن ضيّقة بالنسبة إلى ارتفاعه، إذا دفعته بالقرب من قمته، من المرجّح أنه سينقلب بدلًا من أن ينزلق.

ماذا لو أضفتَ المزيد من القوالب؟

قالبان على شكل مستطيل يتراصّ أحدهما فوق الآخر أفقيًا سيكونان أكثر استقرارًا بكثير مما إذا كانا متراصين رأسيًا واحدًا فوق الآخر، يعتمد استقرارُ البرج على النسبة بين عرضه وارتفاعه، يمثل هذا تحديًا: كيف يمكنك بناء برج أطول ما يمكن باستخدام عدد محدود من القوالب المستطيلة، على أن يكون مستقرًا؟ (بمعنى أنه لن ينقلب بسهولة عندما تدفعه أو تنفخ به)، في هذا النشاط سوف تحاول القيام بذلك، وتكتشف كيف.

لاحظ أن نفس هذا المفهوم ينطبق على المباني الحقيقية، فالبنى القصيرة للغاية، مثل المنازل ذات الطابق الواحد، تكون في العموم شديدة الاستقرار، والبنى الطويلة التي تصبح أضيق عند قمتها، مثل الأهرامات، مستقرة للغاية كذلك، أما البنى الطويلة النحيلة مثل ناطحات السحاب فقد تكون أكثر عُرضة للكوارث الطبيعية، بما في ذلك الرياح العاتية والزلازل، والتي قد تتسبّب في انهيارها.

الأمر يستلزم المزيد من علم الهندسة للتأكّد من بقائها آمنة.

المواد المستخدمة

  • ألعاب ورق مقوَّى أو قوالب خشبية، أو أي مجموعة علب من الورق المقوَّى، علب حبوب الإفطار، المناديل، الأحذية، إلى آخره (لا تستخدم المكعبات البلاستيكية التي يمكن تركيبها ببعضها).
  • قلم رصاص وورق.
  • كرسي لتقف عليه أو مساعد بالغ ليساعدك على وضع القوالب فوق البرج الذي تبنيه (اختياري).
  • مروحة (اختياري).

التحضير

  • تأكَّد أن لديك مساحة كافية لبناء برج طويل، وأنه لن يُحطِّم أي شيء إذا سقط فوقه.
  • اجمع كل القوالب قبل أن تبدأ، عِد القوالب التي لديك، وصنِّفها تقريبيًا وفقًا للحجم (صغير، متوسط، كبير).
  • ارسم مخططات لتصميمات برج من القوالب، حاول جعل الأبراج أطول ما يمكن، ولكن صمّمها أيضًا بحيث تكون مستقرة فلا تسقط بسهولة.

الطريقة

  • جرِّب بناء أحد تصميماتك للبرج، إذا أصبح البرج أعلى مما يمكنك الوصول إليه، قف على كرسي أو اطلب من أحد البالغين مساعدتك على إضافة المزيد من القوالب، هل يمكنك الانتهاء من بناء البرج قبل أن يسقط؟
  • إذا انتهيت من بناء البرج، جرّب نقره برفق بإصبعك في بضعة أماكن، هل يسقط البرج؟
  • إذا سقط البرج، فكِّر كيف يمكنك إعادة تصميمه بحيث يكون أكثر استقرارًا، هل تحتاج للتضحية ببعض الارتفاع لتحقيق هذا؟
  • إذا لم يسقط البرج، هل يمكنك جعله أطول وتبقيه مستقرًا في الوقت ذاته؟
  • استمر في تكرار (إعادة التصميم والبناء) لبرجك، حتى يصبح مستقرًا، ولكن لا يمكنك زيادة ارتفاعه دون أن تجعله غير مستقر.
  • إضافي: وجّه مروحة نحو برجك لتحاكي الرياح، هل يظل برجك قائمًا؟

المشاهدات والنتائج

في البداية قد يبدو بناء أطول برج مُمكن بسيطًا للغاية، فقط رص جميع القوالب التي لديك رأسيًا، أحدهم فوق الآخر، من المفترض أن يعطيك ذلك أعلى ارتفاع ممكن، أليس كذلك؟

نظريًا، بلى، ولكنّه سيؤدِّي أيضًا إلى برج غير مستقر على الإطلاق، لأنه طويل للغاية ونحيل، قد يسقط من تلقاء نفسه قبل أن تنتهي حتى من بنائه، على النقيض، يمكنك بناء برج مستقر للغاية حيث تجعله قصيرًا وعريضًا، ولكن حينها لن يصبح طويلًا للغاية.

يقع الحلّ الأمثل في مكان ما بين هاتين الحالتين، في برج أعرض عند قاعدته من عند قمته، على الأرجح اضطررتَ للقيام بعدّة تكرارات لبناء البرج، حتى وجدتَ التصميم الأنجح، هذه سمة طبيعية في عملية التصميم الهندسي.