المفاهيم الأساسية

الفيزياء
الهندسة
المواد

القوة

المقاومة

مقدمة

إذا سبق لك أن رأيت جسورًا من قبل، فالأرجح أنك لاحظت أنه يمكن صُنعها من مواد مختلفة. فبعض الجسور مصنوعٌ من الخشب، وبعضها من الصلب، وبعضها من الخرسانة، بل إن بعضها مصنوع من الصخر. إذا أردت إنشاء جسر مصغر بسيط قوي باستخدام مادة موجودة حولك بالمنزل، فما أفضل مادة يمكن استخدامها؟ جرب هذا النشاط حتى تعرف الإجابة!

معلومات أساسية

ما المواد التي ينبغي على المهندسين استخدامها في بناء جسر؟ هذا القرار يعتمد على كثير من العوامل. أين سيكون موقع الجسر؟ وكم سيكون طوله؟ وماذا سيمر عليه؟ (بشر أم سيارات أم قطارات)، وكم سيكون وزن الحمل الكلي؟

من المرجح أنك تعرف أن المواد المختلفة لها خواص مختلفة، ويمكنك التعرُّف على خواص المواد المختلفة باستخدام حواسك. ومن أمثلة هذه الخواص شكل المادة أو ملمسها وما إذا كانت فاتحة اللون أم داكنة، وهل هي ملساء أم خشنة؟ هناك أيضًا خواص تصف مدى قوة مادةٍ ما. وهذه الخواص تُعرف بالخواص الميكانيكية. ومن أمثلة تلك الخواص درجة صلابة المادة، ومدى مقاومتها للتمدد أو الانسحاق أو الانحناء، وما إذا كانت ستظل مُنثنيةً أم تعود إلى شكلها الأصلي بعد انحنائها؟ وإذا ثنيت المادة لأقصى درجة ممكنة حتى تنكسر، فهل يحدث هذا ببطء شديد أم تنكسر فجأةً وعلى نحو غير متوقع؟

ربما تكون قد تعاملت مع هذه الخواص المختلفة في حياتك اليومية دون أن تدرك ذلك. فحين تَثني مشبك أوراق يظل مُنثنيًا؛ ومن الصعب أيضًا أن تكسر مشبك الأوراق فجأة. قارن هذا بمسطرة خشبية. إذا حاولت أن تلوي المسطرة بعض الشيء، فستعود إلى شكلها الأصلي، لكن إذا أردت أن تثنيها أكثر مما ينبغي، فستنكسر. فبعض المواد، مثل المطاط، يسهل مطها أو كسرها. وثمة مواد أخرى -مثل الصخور- أكثر  صلابةً وقوة. الأرجح أنك تستطيع أن تتخيل الخواص التي يمكن أن تكون مهمةً لبناء جسر. إذا مرت شاحنة ثقيلة على جسر، هل تريد أن يرتخي الجسر كثيرًا؟ هل تريد أن يعود الجسر إلى شكله الأصلي بعد مرور الشاحنة؟ في هذا النشاط ستستكشف هذه الخواص باستخدام مواد منزلية مختلفة، وستُقرر بنفسك أي مادة يمكن أن يُصنع منها أفضل جسر.

المواد المستخدمة

  • كتابان سميكان أو صندوقان صغيران.
  • ورق.
  • ورق شمع.
  • رقاقة من الألومنيوم.
  • مقص.
  • شريط لاصق.
  • 25 بنسًا على الأقل. (إذا لم يكن لديك ما يكفي من البنسات، يمكنك استخدام عدد أقل من العملات الأثقل، مثل الأرباع، أو غير ذلك من الأجسام الصغيرة لاستخدامها كأوزان، مثل الصخور الصغيرة، المسامير الملولبة، وما إلى ذلك).
  • مسطرة أو شريط قياس (اختياري).

التحضير

  • يُقَص ورق الشمع ورقاقة الألومنيوم إلى طبقات رقيقة بنفس حجم الورق.
  • يُفصَل بين الكتابين بمسافة تبلغ نحو 10 بوصات.
  • تُطوى الرقائق الثلاث لكل مادة على شكل جسر: أولًا تُطوى من المنتصف طوليًّا مرتين على الأقل، ثم تُطوى الحواف لتُشكِّل جدرانًا. تُلصَق الحواف باستخدام الشريط اللاصق لمنع تفكُّك الجسر. ينبغي التأكُّد من أن عرض الجسر يكفي لوضع البنسات مستويةً عليه. أي المواد يمكن أن يُصنع منها أقوى جسر برأيك؟

الطريقة

  • ضع أحد جسورك عبر الفجوة التي تفصل بين الكتابين.
  • ضع بنسًا في منتصف الجسر.
  • استمر في إضافة المزيد من البنسات إلى الجسر بنسًا واحدًا في كل مرة. ضع البنسات مستويةً بامتداد طول الجسر. يُعد هذا محاكاةً لكيفية عبور الناس أو سيارات حقيقية عبر أحد الجسور؛ فهي لا تكون مكدسة جميعًا بعضها فوق بعض.
  •  راقب الجسر بعناية مع الاستمرار في إضافة البنسات. هل يحتفظ الجسر بشكله أم يبدأ في الارتخاء؟
  •  بعد أن تملأ سطح الجسر كله بالبنسات، ابدأ في وضع طبقة ثانية من البنسات. استمر في إضافة البنسات إلى أن ينهار الجسر. ما عدد البنسات الذي أدى إلى انهيار الجسر؟
  •  اتبع الخطوات نفسها مع كل مادة من مواد الجسر الأخرى. أي جسر تحمَّل أكبر عدد من البنسات؟ هل تنهار الجسور جميعها بالطريقة نفسها (بعبارة أخرى، هل ينهار بعضها فجأةً وبعضها الآخر بالتدريج)؟
  • نشاط إضافي: اصنع جسرًا جديدًا من كل نوع من أنواع المادة. أضف بعض البنسات لكل جسر -لكن ليس بالعدد الذي يكفي لانهياره- ثم أزل البنسات. هل يعود الجسر إلى شكله الأصلي بالكامل- أم يتغير شكله إلى الأبد؟
  • نشاط إضافي: يؤثر شكل الجسم أيضًا على مقاومته. حاول تغيير التصميم الهندسي للجسور. يمكنك أن تفعل ذلك مثلًا عن طريق تعديل عرض القاعدة أو ارتفاع الجدران أو عدد مرات طي كل رقيقة من الرقائق عند المنتصف. كيف يؤثر تغيير الشكل على عدد البنسات التي يمكن أن يحملها الجسر؟

الملحوظات والنتائج

الأرجح أنك وجدت أن أقوى الجسور قد صنعته من الورق. وربما أصابتك الدهشة حين علمت أن الجسر المصنوع من رقاقة الألومنيوم لم يكن الأقوى. ففي النهاية، أليس المعدن أقوى من الورق؟ قوة الجسم لا تعتمد فقط على مادته، بل تعتمد أيضًا على أبعاده. فقطعة ورق سميكة يمكن أن تكون أكثر عصيانًا على الثني من رقاقة معدنية، ورقاقة الألومنيوم رقيقة ذات سُمك ضئيل للغاية.

إذا كنت تراقب عن كثب، فلربما تكون قد لاحظت أيضًا أن الجسور لم يحدث لها انهيار بالطريقة نفسها. فربما يكون الجسر المصنوع من الورق قد بدأ في الارتخاء تدريجيًّا، لينهار في النهاية وتسقط معه العملات. وربما كان انهيار الجسرين المصنوعين من رقاقة الألومنيوم وورق الشمع مفاجئًا أكبر من ذلك بكثير – محتفظين في الغالب بشكلهما الأصلي ثم ينهاران سريعًا. كيف ستأخذ هذه المعلومات بعين الاعتبار عندما تصنع جسرًا من تصميمك أنت؟