المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

الجاذبية

طاقة الوضع

الطاقة الحركية

الاحتكاك

بقاء الطاقة

مقدمة

ما مقدار الطاقة التي يحتاج إليها قطار الملاهي كي يستمر بالحركة في حلقة دون أن يعْلق أو يتعثر؟ في هذا المشروع، ستصنع نموذجك المُصغّر من قطار الملاهي بكرات البِلْي لتكتشف الإجابة!

معلومات أساسية

تعتمد قطارات الملاهي في عملها على نوعين من الطاقة: طاقة وضع الجاذبية والطاقة الحركية. طاقة وضع الجاذبية هي الطاقة التي يختزنها الجسم بسبب كتلته ولارتفاعه عن الأرض. أما الطاقة الحركية فهي الطاقة التي يكتسبها الجسم بسبب كتلته وسرعته.

عندما تصل عربة قطار الملاهي إلى قمة أول مرتفَع كبير في رحلتها، تتكون لديها طاقة وضع كبيرة حيث تكون على ارتفاع عالٍ جدًّا من الأرض. ولذلك، تتحرك فوق قمة المرتفع ببطء شديد، حيث تكاد تبلغ طاقتها الحركية الصفر. ثم تهبط على الجانب الآخر من المرتفع وتبدأ في اكتساب سرعة شديدة مع الانخفاض السريع في ارتفاعها. وعندها تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية. وتتكرر هذه العملية في كل مرة تمر عربة القطار عبر المرتفعات، والحلقات، والمنعطفات، والمنحنيات. فكلما تحركت العربة لأعلى، اكتسبت المزيد من طاقة الوضع مع زيادة الارتفاع، ولكنها تفقد طاقتها الحركية مع تباطُئها. فالطاقة لا تفنى ولا تُستَحدَث من عدم، بل كل ما في الأمر أنها تتحول من صورةٍ إلى أخرى. ويُعْرَف هذا المبدأ بقانون بقاء الطاقة.

ومع ذلك، فنحن نعلم من خلال التجربة أن قطار الملاهي لا يستمر في الحركة إلى الأبد؛ إذ يتباطأ في النهاية بسبب الاحتكاك (وهو مزيج من مقاومة الهواء والتلامس مع قضيبي القطار). إذا كانت الطاقة لا تفنى ولا تُستَحدَث من عدم، فأين إذًا تذهب تلك الطاقة؟ الإجابة: إنها تتحول إلى حرارة. وهذا هو السبب نفسه الذي يُمَكِّنك من تدفئة يديك من خلال حكِّهما معًا؛ إذ يُحَوِّل الاحتكاك الطاقة من صورة حركة يديك إلى صورة حرارية!

هل يُقَيّد قانون بقاء الطاقة من حركة قطار الملاهي؟ على سبيل المثال، هل يمكن لقطار الملاهي أن يمرّ بحلقة أطول من مرتفعه المبدئي؟ جرّب هذا المشروع لتكتشف الإجابة!

الأدوات

  • أنبوب عازل من الفوم (يبلغ قطره حوالي 3.81 سنتيمترات، ويبلغ طوله 182.88 سنتيمترًا على الأقل، أو أطول إذا كنت ترغب في إضافة المزيد من التضاريس إلى نموذجك لقطار الملاهي).
  • كرة بِلْي زجاجيّة واحدة على الأقل (أو أي كرة ثقيلة صغيرة أخرى يمكنها أن تتدحرج بسهولة داخل أنبوب الفوم العازل، مثل حامل الكريات المعدني).
  • شريط لاصق.
  • سكين متعددة الاستخدامات.
  • طاولة أو كرسي.
  • شخص راشد لمساعدتك.

التحضير

  • اطلب من الشخص الراشد استخدام السكين متعددة الاستخدامات لقطع الأنبوب العازل إلى نصفين بالطول، لتشكيل قناتين كلٌّ منهما على شكل حرف U.

الخطوات

  • ابدأ بلف أحد طرفي قطعة الأنبوب العازل لتصنع حلقة، بحيث يبلغ قطرها 30.48 سنتيمترًا تقريبًا.
  • استخدم الشريط اللاصق لإحكام الحلقة، ثم ألصقها إلى الأرض عند كلا جانبيها. تأكد من أن الشريط اللاصق لا يعوق الجزء الداخلي من قناة المرور (لا بأس بأن يكون الشريط على الجزء الداخلي، ما عليك سوى التأكد من الضغط عليه بحيث يكون مسطحًا على الأنبوب ولا يعوق حركة كرة البِلْي).
  • ألصق الطرف الحرّ من الأنبوب العازل بطاولة أو بكرسي، بحيث تُكوِّن مرتَفَعًا عاليًا يهبط إلى الحلقة.
  • ضع كرة البِلْي الخاصة بك على مسافة بضعة سنتيمترات من أسفل المرتَفَع ثم اتركها. هل أنهت كرة البِلْي المرور بالحلقة بالكامل؟
  • حرك كرة البِلْي بضعة سنتيمترات إلى أعلى المسار ثم اتركها مجددًا. استمر في تكرار هذه العملية حتى تتمكن كرة البِلْي من إنهاء الحلقة بالكامل. ما الارتفاع الذي ينبغي أن يكون عليه موقع البدء كي تتمكن كرة البِلْي من إنهاء الحلقة؟ هل هو أقل ارتفاعًا من قمة الحلقة؟ أم عند ارتفاعها نفسه؟ أم أكثر ارتفاعًا منها؟
  • إذا كنت بحاجة إلى مُرتَفَع أعلى، فألصق قطعتي الأنبوب العازل معًا عند طرفيهما، واستمر في المحاولة من ارتفاعات أعلى.
  • هل يمكنك أن تصف كيف تتغيّر الطاقة خلال رحلة كرة البِلْي في مسارها؟
  • خطوات إضافية: أضف المزيد من التضاريس إلى نموذج قطار الملاهي، مثل المنعطفات، والمنحنيات، والحلزونات. كم ينبغي أن يبلغ ارتفاع المُرتَفَع كي تتمكن كرة البِلْي من إنهاء جميع التضاريس دون أن تتوقف؟
  • خطوات إضافية: راقب كرة البِلْي عن كثب ولاحظ سرعتها. عند أي نقطة تتحرك كرة البِلْي بأقصى سرعة لها؟ وعند أي نقطة تتحرك بأدنى سرعة لها؟
  • خطوات إضافية: أضف قطعة مستقيمة إلى المسار في نهاية رحلة قطار الملاهي عند أسفل الحلقة. ما المسافة التي ستقطعها كرة البِلْي قبل أن يتسبب الاحتكاك في توقفها؟

المشاهدات والنتائج

من المفترض أن تكون قد اكتشفت أن كرة البِلْي لا بد أن تبدأ من نقطة أعلى من قمة الحلقة كي تتمكن من إنهاء الحلقة بأكملها. ويحدث هذا لأن بعض الطاقة يُفْقَد دائمًا بسبب الاحتكاك في أثناء تدحرُج كرة البِلْي على المسار. فيجب أن تبدأ رحلة كرة البِلْي على ارتفاع أكبر من قمة الحلقة بحيث يكون لديها طاقة إضافية كافية كي تُنْهي الحلقة بأكملها دون أن تتوقف.

إذا تأملت كرة البِلْي عن كثب، فلعلك قد لاحظت أنها تسير بأقصى سرعة لها عندما تكون عند قاع المُرتَفَع قبل أن تدخل الحلقة. فعندما تتدحرج كرة البِلْي إلى أسفل المُرتَفَع، تتحوّل طاقة الوضع إلى طاقة حركية (حيث يقل ارتفاعها، ولكن تزداد سرعتها). عندما تتجه كرة البِلْي مجددًا إلى قمة الحلقة، يزداد ارتفاعها مرةً أخرى وتقل سرعتها، مما يؤدي إلى تغيير الطاقة الحركية إلى طاقة وضع. وإذا كنت قد أضفت قطعةً مستقيمةً إلى المسار عند قاع الحلقة، فمن المفترض أنك قد لاحظت كيف تتباطأ كرة البِلْي تدريجيًّا بسبب الاحتكاك إلى أن تتوقف تمامًا في النهاية.

كلما أضفت المزيد من التضاريس إلى المسار الذي صمّمته، سوف تحتاج كرة البِلْي إلى المزيد من طاقة الوضع الابتدائية كي تتمكن من اجتياز جميع التضاريس دون أن تتوقف. ربما تلاحظ أن الأنبوب العازل ينثني وينحني في أثناء حركة كرة البِلْي عليه -مما قد يؤدي إلى فقدان بعض طاقة كرة البِلْي أيضًا (إذ يتطلب ثني الأنبوب طاقة أيضًا). يمكنك جعل المسار أكثر متانةً عن طريق لصقه بدعامات (مثل الصناديق أو قطع الأثاث)، وهذا من شأنه أن يساعد في تجنُّب هذا النوع من فقدان الطاقة، مما سيتيح لكرة البِلْي أن تقطع مسافةً أكبر.

More to Explore

Paper Roller Coasters, from Scientific American
Marble Roller Coaster: How Much Height to Loop the Loop? from Science Buddies
Rolling Race, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

This activity brought to you in partnership with Science Buddies

Science Buddies