المفاهيم الرئيسية
الفيزياء
الجاذبية
قوى الكبح
مقاومة الهواء

المقدمة
هل تساءلت من قبل عن الأمر المشترك بين مظلة الهبوط وسترة المطر المفتوحة؟ كلتاهما تحجز الهواء داخلها فتبطئ من سرعتك عند تحرُّكك بسرعة! في هذا النشاط سوف تقوم بتصميم مظلة هبوط يمكن استخدامها بواسطة مجسم مُصغَّر لشخصية من الشخصيات. كل ما يتطلبه الأمر هو منديل ورقي أو كيس بلاستيكي والقليل من الخيوط لتجعل شخصيتك المجسمة أحد اللاعبين الخبراء في القفز بالمظلات.

معلومات أساسية


تقع الأشياء لأن الجاذبية تجذبها نحو الأسفل، وكلما كان سقوطها أسرع، كان اصطدامها أشد. يعتقد الكثيرون أن الأجسام الأثقل تسقط بسرعة أكبر، إلا أن جاليليو -الفيلسوف وعالِم عصر النهضة- أثبت أن هذه الفكرة ليست صحيحةً على الرغم من بداهتها. بإمكانك أنت أيضًا اختبار صحة هذه الفكرة. أسقِط مربعًا صغيرًا من الورق المقوى (7 سم × 7 سم مثلًا) بالتزامن مع إسقاطك -من الارتفاع نفسه- لقطعة ورق مطوية بحيث تكون بالمقاس نفسه. لاحظ أنه على الرغم من أن الورقة أخف وزنًا من الورق المقوى، فإن كليهما يصل إلى الأرض في الوقت نفسه. إن تكرار هذا الأمر باستخدام ورقة غير مطوية سوف يوضح لماذا تنجح مظلات الهبوط في أداء الوظيفة المطلوبة منها؛ فتلك الورقة غير المطوية تسقط بشكل أبطأ إذا كان حجمها أكبر. لماذا؟ التفسير يكمن في الهواء.

يتكون الهواء المحيط بنا من جزيئات صغيرة. وكما أنك تقوم بتحريك جزيئات الماء بعيدًا عنك عند مرورك في الماء، فكذلك أنت تقوم بدفع جزيئات الهواء بعيدًا عنك في أثناء مرورك عبر الهواء. ربما تكون قد شعرت كيف أنك تدفع الهواء بعيدًا عنك في أثناء تجوُّلك بالدراجة. وكما تدفع أنت الهواء، هو كذلك يدفعك؛ إذ ينزلق على جانبيك ويبدو كالرياح. يُطلق على هذا ’’مقاومة الهواء‘‘ أو ’’قوى الكبح‘‘ الناتجة من الهواء. هذه القوى تبطئ من سرعتك. قد لا تعجبك مقاومة الهواء في أثناء قيادتك للدراجة، إلا أنها رائعة حينما يتعلق الأمر بإبطاء السقوط من أعلى! لقد سقطت الورقة غير المطوية أبطأ من الورقة المطوية لأن السطح المستوي الأكبر للورقة غير المطوية كان يدفع الهواء بعيدًا عنه بنحو أكبر، ولذا تعرضت هذه الورقة لقوى كبح أكبر. هل تتساءل كيف يمكن لهذا المفهوم أن يساعدك في صنع أفضل مظلة هبوط؟ جرب هذا النشاط لتعرف!

المواد المستخدمة

  • منديل ورقي أو كيس من البلاستيك
  • مقص
  • مسطرة
  • شريط لاصق 
  • خرَّامة ورق
  • خيط دوبارة
  • مجسم صغير لإحدى الشخصيات على أن يكون غير قابل للكسر، أو دمية صغيرة الحجم يمكن إسقاطها على الأرض (إذا لم يكن لديك شخصية مجسمة، استخدم قطعة صلصال أو قالب خشب صغيرًا أو ملعقة قياس... إلخ).
  • موقع آمن يمكنك إلقاء مظلة الهبوط منه -على سبيل المثال، نافذة من الطابق الثاني، أو شرفة، أو سلالم مفتوحة.

 

التحضير

  • لصنع قبة المظلة، قُصّ -من المنديل الورقي (أو الكيس البلاستيكي)- مربعًا طول ضلعه 30 سم، ثم قُم بتدعيم الأركان بالشريط اللاصق واصنع ثقبًا في كل ركن.
  • اصنع شرائط التعليق الخاصة بالمظلة عن طريق قطع أربعة من خيوط الدوبارة، طول الخيط الواحد منها 30 سم.
  • لتجميع أجزاء مظلتك، اربط أحد طرفي كل خيط من خيوط التعليق بأحد أركان المنديل الورقي، ثم اطوِ القبة أربع طيَّات بحيث تستقر أركانها بعضها فوق بعض، وبعدها اعقد النهايات الحرة لخيوط التعليق الأربعة بعضها مع بعض.

الطريقة

  • خذ مظلة الهبوط والشخصية المجسمة إلى موقع التجربة.
  • بعد لحظات سوف تُلقي بشخصيتك المجسمة –من دون مظلة الهبوط– من هذه البقعة. هل تتوقع أن تسقط بلطف أم بعنف؟ هل يمكنك التنبؤ بمكان هبوطها بدقة؟
  • ألقِ شخصيتك المجسمة. هل كانت تنبؤاتك صحيحة؟
  • ألقِ بها من الموقع نفسه عدة مرات أخرى. كيف تصف هذه السقطات؟
  • اربط الشخصية المجسمة إلى مظلة الهبوط عن طريق لفّ النهاية المعقودة المُجمِّعة لخيوط التعليق حول منتصف الشخصية المجسمة، مع التأكيد على الربط بعمل عقدة أو باستخدام الشريط اللاصق.
  • بعد لحظات سوف تسقط شخصيتك المجسمة المزوّدة بمظلة الهبوط من هذه البقعة. كيف تتغير طريقة هبوطها هذه المرة؟ هل يمكنك أيضًا التنبؤ بمكان هبوطها؟
  • اطوِ قبة مظلتك أربع طيّات بحيث تستقر أركانها الأربعة بعضها فوق بعض. تَحقَّق من أن خيوط التعليق ليست متشابكة بعضها مع بعض. التقط مظلة الهبوط من عند الركن المقابل قطريًّا للركن المحتوي على خيوط التعليق. يجب أن تكون شخصيتك المجسمة الآن معلقةً أسفل مظلة الهبوط.
  • أسقِط شخصيتك المجسمة المزوّدة بالمظلة. هل كانت تنبؤاتك صحيحة؟
  • أسقِطها عدة مرات أخرى. كيف تختلف هذه السقطات عن السقطات التي تمت من دون مظلة الهبوط؟ لماذا ينتج عن مظلة الهبوط هذه الاختلافات؟
  • في اعتقادك، ماذا سيحصل إذا أحدثت ثقبًا في منتصف مظلة الهبوط؟
  • اطوِ مظلتك أربع طيّات بحيث تتراص أركانها بعضها فوق بعض. قصّ طرف الركن المقابل قطريًّا للركن المحتوي على خيوط التعليق. الآن افتح مظلتك ولاحظ أنها أصبحت مثقوبةً عند منتصف القبة. كيف تتوقع أن يؤثر هذا على السقوط؟
  • من جديد، اطوِ قبة مظلتك أربع طيّات، ثم التقطها من عند الركن الذي تم قطع طرفه وألقِ بشخصيتك المجسمة. هل كان تنبؤك صحيحًا؟
  • ألقِ بشخصيتك المجسمة عدة مرات أخرى. كيف غيَّر الثقب من طريقة سقوط شخصيتك المجسمة؟ لماذا يحدث هذا؟
  • نشاط إضافي:  تَحقَّق من عدد الثقوب التي يمكنك إحداثها إلى الحد الذي تصبح عنده مظلتك غير قابلة لأداء وظيفتها؟ كذلك تحقق مما إذا كان موقع الثقب يُحدِث اختلافًا. يمكنك أيضًا زيادة مقاس الثقب بالتدريج ودراسة الكيفية التي يتغير بها الأداء.
  • نشاط إضافي: اصنع قبابًا للمظلة من مواد ومقاسات وأشكال مختلفة. أيها يعمل على نحوٍ أفضل؟
  • نشاط إضافي: قِس حجم الارتطام الناتج عن السقوط من خلال إسقاط شخصيتك المجسمة فوق صندوق فيه رمال. ما مقدار عمق الانبعاج الناتج عن السقطة؟
  • نشاط إضافي: استخدم مؤقِّتًا لقياس الزمن الذي تستغرقه السقطة الواحدة. هل يمكنك حساب متوسط سرعة سقوط شخصيتك المجسمة؟ ما نوع المظلة التي ينتج عنها أكثر السقطات بطئًا؟

المشاهدات والنتائج

في بادئ الأمر، يُرجَّح أن تكون شخصيتك المجسمة قد سقطت مباشرةً ونتج عن سقوطها ارتطامٌ شديد. وعلى الأرجح هبطت شخصيتك المجسمة المزوّدة بالمظلة بشكل ألطف، ويُحتمل أيضًا أن التنبؤ الدقيق بالموقع الذي سقطت فيه كان أكثر صعوبة. وكانت الشخصية المجسمة المزوّدة بمظلة هبوط ذات ثقب في منتصفها لا تزال قادرةً على الهبوط البطيء إلى حدٍّ ما.

تنجذب الأجسام -بفعل الجاذبية- مباشرةً نحو مركز الأرض. إن الجاذبية قوية بما يكفي لجعل الأجسام الساقطة تسقط بسرعة، وبذلك ينتج عن سقوط هذه الأجسام ارتطام شديد! ومن حسن الحظ أن لدينا طبقةً من الهواء حول كوكبنا، وهذه الطبقة من الهواء تبطئ من سرعة السقوط. تتسبب مقاومة الهواء أو قوى الكبح في قوة دفع معاكسة لاتجاه سقوط الأجسام. وتحجز مظلات الهبوط الكثير من الهواء في داخلها، وينتج عن هذا الكثير من قوى الكبح. ويمكن لمظلات الهبوط إبطاء السقوط بشكل جذري، وهو ما ينتج عنه هبوطٌ أقل حدةً بكثير. إلا أن هذا السقوط البطيء يمكن أن تكون السيطرة عليه أمرًا صعبًا؛ فقد يتأرجح الشخص الذي يهبط بالمظلة يمينًا أو يسارًا في أثناء السقوط.

بعض مظلات الهبوط تحجز الهواء داخلها، تمامًا كما يمكن لسترة فضفاضة أن تحبس الهواء داخلها في أثناء تجوُّل الشخص الذي يرتديها بالدراجة. هذا الهواء المحبوس يريد أن يخرج، وفي أغلب الأحيان يمكنه الهروب عبر الحواف فقط، وهو ما ينتج عنه ترفرُف تلك الحواف (حواف قبة المظلة أو جوانب سترتك). وبعض مظلات الهبوط تكون مثقوبة عند مركزها حتى يُمكن تسريح الهواء بطريقة محكومة. وهذا يجعل المظلة أكثر استقرارًا، مع تغيُّر طفيف فحسب في قوى الكبح.

تم تقديم هذا النشاط بالشراكة مع ’’ساينس باديز ‘‘.