المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

القوى

الوزن

الطفو

الجاذبية

مركز الكتلة

مقدمة

حان وقت الإبحار، حتى إن لم تكن تسكن قرب بحيرة أو محيط، سوف تقوم ببعض الإبحار في هذا النشاط العلمي، إذ ستبني لعبة مركب شراعي خاصة بك، لكن في البداية عليك التأكد من أنه لن ينقلب، فهل أنت مستعد للتحدي؟

معلومات أساسية

هل تذكر عندما كنتَ تلعب بالقوارب الصغيرة في حوض الاستحمام، أو سبق لك أن كنت على مركب حقيقي؟ تستطيع القوارب البقاء فوق الماء بسبب الطفو. في نفس الوقت الذي تسحبها فيه قوة وزنها (الناتج عن الجاذبية) للأسفل، تُدفَع إلى الأعلى بواسطة قوة الطفو، والتي تساوي وزن حجم الماء الذي تزيحه (يمكنك العثور على شرح أكثر تفصيلًا لقوة الطفو في فقرة "استكشف المزيد").

بعض القوارب تُصنَع من مواد أقل كثافة من الماء، بمعنى أن لها كتلة أقل لكل وحدة حجم، هذه المواد سوف تطفو دائمًا، لكن هناك قوارب أخرى تكون مصنوعة من مواد مثل الفولاذ، كثافتها أكبر من الماء بكثير، فهل تطفو؟ أجل لأنها مُجوَّفة، مما يعني وجود فراغ كبير مملوء بالهواء داخل هيكل السفينة، فيصبح متوسط كثافة القارب (التي تشمل المعدن والهواء) أقل من كثافة الماء.

لا تحتاج القوارب إلى الطفو فقط، بل تحتاج أيضًا إلى البقاء متوازنة وتجنّب الميل أو الانقلاب، لذا تحتاج مركز كتلة منخفضًا، بمعنى أن يكون وزنها مرتكزًا إلى قاع القارب لا قمّته، قد تبدو هذه مشكلة للمراكب الشراعية ذات الأشرعة الطويلة للغاية المتجهة لأعلى، إذ كيف تبقى متزنة مع كل هذه الكتلة المتجهة نحو القمة؟

يحدث ذلك باستخدام جزء آخر يسمى الصالب، يوجد عند قاع القارب (لو سبقت لك رؤية مركب شراعي من فوق الماء، فربما لم تعلم حتى بوجود الصالب!) فالصالب جزء كبير تحت الماء، يشبه الزعنفة، ويخدم غرضين، يحمل الصابورة، أو الوزن الثقيل، الذي يساعد على خفض مركز كتلة القارب، وفي الوقت نفسه يساعد على منع القارب من الانجراف بفعل الرياح.

في هذا النشاط سوف ترى كيف يساعد الصالب في الحفاظ على مركب شراعي من الانقلاب واستمرار حركته بشكل مستقيم.

المواد المستخدمة

  • ثلاث سدادات من الفلين.
  • قطعتا شريط مطاطي.
  • خلّة أسنان.
  • عدّة مسامير لولبية أو عادية.
  • مادة مقاومة للماء، مثل الفوم، أو ورق الشمع، أو علب اللبن الورقية لصنع شراع.
  • رقائق الألومنيوم.
  • حوض، أو حوض استحمام، أو وعاء كبير يُملأ بالماء (يجب أن يكون الوعاء أعمق من طول المسامير).


التحضير

  • املأ الوعاء بالماء مع التأكّد من أن عمقَه كافِ لغمر أطول مسمار.

 

الطريقة

  • رص السدادات الثلاث (جنبًا إلى جنب، وليس على التوالي).
  • استخدم قطعتي الشريط المطاطي لتثبيتها معًا، بحيث يكوّنوا "الطوافة".
  • اغرس خلة الأسنان في السدّادة الوسطى، بحيث تخترق إلى الأعلى مباشرةً، هذه سارية قاربك (الجزء الذي يحمل الشراع).
  • اقطع مُربعًا من المادة الرقيقة المقاومة للماء لتصنع شراعًا، يجب أن تبلغ مساحته نحو ستة سنتيمترات مربعة.

اغرس خلة الأسنان عبر أطراف الشراع المتقابلة (بالقرب من الحواف) لتثبته في مكانه.

  • لقد صنعتَ أوّل مركب شراعي لك، ضعه في الماء، ماذا حدث؟

  • انفخ الشراع من الخلف، ماذا حدث؟
  • الآن اصنع قاربًا أقل حجمًا بإزالة قطعتي الشريط المطاطي واثنين من السدادات، احتفظ بالشراع في مكانه، وفقًا لكيفية تثبيتك للشراع في البداية، قد تحتاج لتدويره بزاوية 90 درجة.
  • أعِد قاربك الشراعي إلى الماء، ماذا حدث؟
  • يا للهول! على الأرجح انقلب قاربك! هذا ليس جيدًا، لإصلاح ذلك، جرِّب إضافة صالب، اغرس مسمارًا برفق في قاع القارب بمقابلة الشراع مباشرةً.
  • جرِّب إعادة القارب إلى الماء، هل احتفظ بتوازنه هذه المرة؟
  • إذا لم يحتفظ قاربك بتوازنه، استمر في إضافة المسامير (في خط مستقيم مع المسمار الأول) حتى يتمكن من الطفو دون أن ينقلب.
  • جرِّب أن تنفخ في الشراع مجددًا، ماذا حدث؟ هل يتحرك قاربك في خط مستقيم؟
  • الآن، يتكوَّن الصالب من واحد أو أكثر من المسامير، ولكن بعضها غير متصل ببعض، اقطع قطعة مستطيلة من رقائق الألومنيوم ولفّها بإحكام حول المسامير لتجعلها تشبه الزعنفة.
  • أعد قاربك إلى الماء وجرِّب النفخ في الشراع مجددًا، ما الذي حدث هذه المرة؟ هل تحرَّك بشكل مستقيم؟

نشاط إضافي: حاول عمل شراع أكبر باستخدام جزء من سيخ خشبي لصنع السارية بدلًا من خلة أسنان، إلى أي مدى ينبغي أن يكون ثقل الصابورة للحفاظ على اتزان القارب مع شراع أكبر؟ 

تلميح: جرِّب ربط مسمار أفقي بقاع الصالب ليعمل كصابورة، بهذه الطريقة لن تضطر للاستمرار في غرس المسامير في سدادة الفلين.

المشاهدات والنتائج

على الأرجح كان المركب الشراعي الأول مستقرًا لكونه عريضًا للغاية (كان مكوَّنًا من ثلاث سدادات)، إلا أنك عندما أزلتَ سدادتين لتجعله أقل حجمًا، أصبح غير مستقر وانقلب.

الأمر أشبه بالوقوف بقدميك ملتصقين ببعضهما بدلًا من بسطهما بعض الشيء، من الصعب حفظ التوازن في هذه الحالة.

عندما أضفتَ المسامير إلى قاع المركب، انخفض مركزُ كتلته وأصبح أكثر استقرارًا، إلا أن المسامير الرأسية المنفردة لا تقوم بعمل جيد في مقاومة الماء، إذ يمكن للماء التدفق من حولها، يعني ذلك أن الصالب لا يقوم بعمل جيد في الحفاظ على حركة القارب بشكل مستقيم. إذا نفختَ في الشراع، قد يكون قاربك انحرف إلى أحد الاتجاهات أو دار في دوائر، عندما لففتَ المسامير في رقائق الألومنيوم، جعلت الصالب أشبه بالزعنفة، مما مكَّنه من اختراق الماء بسهولة شديدة في اتجاه، لكنه يقاوم المياه بشدة في الاتجاه الآخر، فيصبح من الأسهل لقاربك التحرك للأمام، ومن الأصعب أن ينحرف جانبًا، لذلك يمكن للمراكب الشراعية الحقيقية أن تكون طويلة، ورفيعة ولها شراعات طويلة، فالصالب يمنعها من الانقلاب ويساعدها على الحركة بشكل مستقيم.