المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

الجاذبية

طاقة الوضع

الطاقة الحركية

الاحتكاك

الاحتفاظ بالطاقة

المقدمة

هل سبق لك ركوب لعبة الأفعوانية في مدينة الملاهي؟ هل تمنيت من قبل أن تصمم أفعوانيةً خاصة بك؟ هناك الكثير من الألعاب باهظة الثمن -وحتى ألعاب الفيديو- التي تسمح لك ببناء أفعوانية خاصة بك، ولكن في هذا المشروع ستصنع أفعوانيةً من الورق والشريط اللاصق، وفي الوقت نفسه ستتعرف إلى معلوماتٍ تتعلق بعلم الفيزياء المستخدم في لعبة الأفعوانية.

معلومات أساسية

كل ما يخص لعبة الأفعوانية يتعلق بالفيزياء! فعلى العكس من المركبات الأخرى كالسيارات والقطارات، لا تمتلك العربات المستخدمة في لعبة الأفعوانية محركات تدفعها إلى الأمام، و تعتمد -بدلًا من ذلك- على طاقة الوضع الناتجة عن الجاذبية، وهي الطاقة التي تكتسبها هذه العربات عند جرها قبل بدء اللعبة إلى أعلى منحنى صاعد. (هناك أنواع أخرى من طاقة الوضع، مثل طاقة الوضع المرنة، وهي نوع الطاقة الذي ينشأ عند شد شريط مطاطي. في هذا المشروع سنشير إلى طاقة الوضع الناتجة عن الجاذبية فقط).

يحدث "تراكم" لطاقة الوضع نتيجةً لارتقاء جسم أو ارتفاعه عن مستوى سطح الأرض. عندما تبدأ عربات الأفعوانية هبوطها على المنحدر الموجود عند نقطة البداية، تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية. وعندما تعاود العربات صعودها أعلى منحنى صاعد آخر، فإنها تفقد الطاقة الحركية (تتباطأ حركتها) وتكتسب بعضًا من طاقة الوضع مرةً أخرى. يتحول جزء من تلك الطاقة أيضًا إلى طاقة حرارية تنتج عن مقاومة الهواء واحتكاك العربات مع المسار، وهو ما يتسبب في التباطؤ التدريجي لحركة العربات. تتوالى هذه العملية في أثناء سير العربات على المنحنيات صعودًا ونزولًا، وخلال سيرها عبر المنعطفات، حتى تعود إلى نقطة البداية.

ونتيجةً لمبدأ الاحتفاظ بالطاقة (يجب أن تكون كمية الطاقة الكلية في النظام محفوظة)، لا يمكن للكمية الكلية للطاقة الحركية والطاقة المفقودة في الاحتكاك أن تتجاوز مطلقًا الكمية الابتدائية لطاقة الوضع الموجودة لدى عربات الأفعوانية. وهذا يعني أن مصممي الأفعوانيات يجب عليهم التحقُّق من أن العربات سيكون لديها ما يكفي من طاقة الوضع الابتدائية حتى تتمكن من قطع المسافة المتبقية من المسار. ويضع هذا بعض القيود على التصميم؛ فعلى سبيل المثال، لا يمكن لعربات الأفعوانية أن تمر على مسار حلقي أو منحنى صاعد يزيد ارتفاعه عن ارتفاع المنحدر الموجود في نقطة البدء، وذلك لأن الصعود إلى ارتفاع أعلى يتطلب طاقةً تفوق الطاقة المتاحة لدى العربات. وإذا كان المسار طويلًا للغاية، قد يؤدي الاحتكاك في النهاية إلى توقُّف المركبات بشكل كامل. خلال هذا المشروع ستأخذ تلك العوامل في الاعتبار في أثناء تصميمك للعبة الأفعوانية الخاصة بك.

المواد المستخدمة

  • عدة قطع من الورق (الورق المقوّى سيعمل بشكل أفضل)
  • شريط لاصق
  • مقص
  • مسطرة
  • قلم رصاص
  • قطعة من الورق المقوى المضلع (بالحجم الذي تريد أن تكون عليه لعبة الأفعوانية الخاصة بك)
  • بِلْية زجاجية واحدة
  • شخص يقوم بمساعدتك (اختياري)

التحضير

  • ابدأ بتنفيذ قطع المسارات التي ستستخدمها في الأفعوانية.
  • لإنشاء قطاع مستقيم من المسار، عليك بقص شريط من الورق عرضه 3 بوصات. استخدم المسطرة وقلم الرصاص لرسم خطوط تقسم هذا الشريط طوليًّا إلى ثلاثة أقسام عرض كل قسم منها بوصة واحدة. اطوِ القسمين الطرفيين لأعلى بزاوية قائمة عند الخط الذي يحدد كل قسم.
  • لإنشاء قطاع مسار حلقي أو مسار منحنى صاعد وهابط: ابدأ بالخطوات نفسها التي اتبعتها لصنع مسار مستقيم، وبعدها ضع علامةً عند كل بوصة على طول الجانبين الطويلين من الشريط. قص للداخل عند تلك العلامات حتى تصل إلى الخطوط الطولية التي رسمتها. عندها سيكون لديك على جانبي الشريط أطراف ورقية مربعة مساحة المربع الواحد منها بوصة واحدة. اطوِ تلك الأطراف المربعة لأعلى بزاوية قائمة. تستطيع الآن طي الشريط لصنع منحنى صاعد وهابط أو صنع مسار حلقي. ألصِق الأطراف المربعة بعضها مع بعض لضمان احتفاظ المسار بشكله. تنفيذ هذا الجزء قد يكون أيسر في وجود شخص يساعدك. يمكن لشخص أن يُمسِك بالمسار بحيث يحتفظ بشكله، وعندها يقوم الشخص الآخر باللصق.
  • لإنشاء قطاع ذي مسار عبارة عن منعطف، ابدأ بالخطوات نفسها التي اتبعتها لصنع قطاع مستقيم. ضع علامات عند كل بوصة على طول جانب واحد من الجانبين الطويلين للشريط. عند كل علامة، قص إلى الداخل بحيث يكون طول القصة الواحدة بوصتين. الآن اطوِ الجانب غير المقصوص من الشريط بزاوية قائمة، وعلى الجانب الآخر اطوِ الأطراف المقصوصة بزاوية قائمة لأعلى. يتميز الجزء السفلي من هذا المسار بمرونته، وترجع هذه المرونة إلى أن الأطراف المقصوصة تسمح لك بطي المسار أفقيًّا لتكوين مسار مُنعطِف. ألصِق الأطراف المقصوصة بعضها مع بعض لتتأكد من احتفاظ المسار بشكله.
  • لبناء دعامة الأفعوانية، قص شريطًا من الورق عرضه بوصتان ونصف. استخدم قلم الرصاص والمسطرة لرسم خطوط طولية تقسم هذا الشريط إلى خمسة أقسام عرض القسم الواحد منها 0.5 بوصة. اثنِ جميع الأقسام على امتداد الشريط، وبعدها عليك بطيِّها إلى الداخل في شكل مربع (سيكون لديك قسمان متراكبان بعضهما فوق بعض). استخدم الشريط اللاصق لإبقاء الأقسام مطويةً على هذا النحو. عند إحدى نهايتي الدعامة، عليك بقص الطرف طوليًّا عدة مرات بحيث يكون طول القصَّة بوصةً واحدة، وبعدها اطوِ أطراف الورق الناتجة عن القص نحو الخارج. سوف يسمح لك هذا بلصق هذه الأطراف الورقية أفقيًّا على قطعة من الورق المقوى، وبهذا تكون دعامة الأفعوانية ثابتة عموديًّا.
  • تأكد من وجود انحناء تدريجي في جميع المنعطفات والمنحنيات الصاعدة والهابطة والحلقات. تجنب وجود زوايا حادة، لأن هذه الزوايا قد تتسبب في اصطدام "عربة الأفعوانية" (البِلْية الزجاجية) وتوقُّفها على نحوٍ مفاجئ.

الطريقة

  • قبل أن تبدأ في البناء، ضع مخططًا لتصميم الأفعوانية. ارسم تصميمك على الورق، وحدِّد عدد الدعامات وعدد قطع المسارات اللازمة لتنفيذ التصميم. عند وضع التصميم، لا تنس أخذ المعلومات الواردة في قسم "معلومات أساسية" في اعتبارك. يجب أن تكون نقطة البداية الخاصة بالبِلْية الزجاجية أعلى قمة مسار مُنحدر!
  • استخدم قطعة الورق المقوّى المضلع كقاعدة تجمِّع المسار عليها وفقًا للمخطط. ألصق قطع المسارات معًا بحيث يتم توصيل طرف كل مسار مع طرف مسار آخر.
  • ضع البِلْية الزجاجية أعلى قمة المسار ودعها تتحرك. راقب ما يحدث. ماذا يحدث؟ هل قطعت البِلْية المسار بكامله؟
  • إذا قطعت البِلْية المسار بالكامل حتى نهايته، فحاول أن تجعل المسار أطول بإضافة المزيد من قطع المسارات. ما الطول الذي يمكن للمسار أن يصل إليه دون أن تتوقف البِلْية عن الحركة؟
  • إذا لم تصل البِلْية إلى نهاية المسار، فحاول أن تكتشف السبب. هل يوجد جزء من المسار يعرقل تقدُّم البِلْية؟ هل كانت البِلْية تتحرك ببطء شديد فلا تتمكن حينها من اجتياز المسار الحلقي؟ عند الضرورة، عليك بإجراء تغييرات على التصميم، كأن تجعل المنعطفات أكثر تدرجًا أو المنحدر الابتدائي أكثر ارتفاعًا لإعطاء البِلْية المزيد من طاقة الوضع. حاول مرةً أخرى. هل تستطيع أن تجعل البِلْية تقطع المسار حتى نهايته؟
  • نشاط إضافي: يمكنك صنع الأفعوانية من أنابيب العزل الإسفنجية (متاحة لدى محلات العتاد والأدوات)، وذلك بدلًا من الورق. سيسمح لك هذا بصنع أفعوانية أكبر بكثير وبطريقة أسرع؛ لأن عملية التصنيع لن تتضمن عندها هذا الكم من القص والطي واللصق.

 

المشاهدات والنتائج

إذا كنت قد اتبعت الإرشادات الموضحة في قسم "معلومات أساسية فلا بد أن تكون قد تمكَّنت من تصميم أفعوانية تعمل بكفاءة. نظرًا إلى أن جزءًا من الطاقة يُفقَد على الدوام بسبب الاحتكاك، ينبغي أن يكون المنحدر الابتدائي أكثر ارتفاعًا مما يليه من منحنيات ومسارات حلقية، وذلك حتى تحتفظ البِلْية بما يكفي من الطاقة لاجتياز المسار بأكمله. وبناءً عليه، كلما كان هذا المنحدر الابتدائي أعلى، كان بإمكانك أن تجعل المسار أطول. إذا كان المسار الذي صممته محتويًا على منعطفات حادة بدرجة كبيرة، فربما يكون هذا قد تسبب في ارتطام البِلْية بالجدران وفقدها جزءًا من طاقتها خلال الارتطام (تُستهلك هذه الطاقة في إحداث انثناءات في الورق المقوّى). إذا كانت هذه الأفعوانية أفعوانيةً حقيقية، فإن مثل هذا الارتطام سيكون أمرًا مؤلمًا، بل وخطيرًا، بالنسبة للركاب! وهذا هو سبب أهمية التحقُّق من أن المنعطفات سلسة ومنحنية بشكل تدريجي.

تم تقديم هذا النشاط بالشراكة مع "ساينس باديز".