ترن هوایی_ جلسه سوم

اهداف:

• رفتار شناسی ترن و ریلتان

وسایل مورد نیاز: ________

در این جلسه می خواهیم ترن و ریلتان را رفتار شناسی کنیم. این کار مسلما با تکیه به قوانین فیزیک صورت می گیرد، اما نگران نباشید، قرار است این بار خودتان نیوتن شوید و به صورت تجربی به این قوانین برسید!
حدود 2 متر ریل و یک عدد تیله را آماده کنید. این بار نیز قرار است به صورت گروهی آزمایش هایی انجام دهید و مشاهدات را با همکاری هم ثبت نمایید و دقت کنید که نتایج این جلسه را خوب در دفتر یادداشتی ثبت کنید تا هنگام طراحی ترن به آن مراجعه کنید.

مجدد سطح شیبدار قبلی را راه اندازی کنید. تیله ای برداشته و پایین شیب قرار دهید. به تیله ضربه بزنید. چه اتفاقی می افتد؟ بله، تیله از شیب بالا می رود. اگر شدت ضربه زیاد نبوده باشد، تیله کمی بالا می رود، در بالاترین ارتفاعی که می تواند برود لحظه ای می ایستند و مجدد به پایین بر می گردد. بار دیگر این کار را تکرار کنید و این بار به مجموعه این نکات دقت نمایید.

 فعالیت1:
تیله را مجدد روی زمین پایین شیب بگذارید. می خواهیم آزمایشی انجام دهید و نتیجه مشاهدات را در دفترتان یادداشت کنید. تیله را 3 بار با سه ضربه ضعیف، متوسط و قوی به بالا هل دهید. ارتفاع بالا رفته در هر حالت چگونه است؟
نتیجه را در دفتر خود گزارش کنید.

هنگامی که شما به تیله ضربه می زنید، در واقع به آن انرژی می دهید. این انرژی ( که از دست ما از طریق ضربه به تیله منتقل شده) باعث حرکت و سرعت گرفتن آن می شود. برای همین اصطلاحا به آن انرژی جنبشی می گویند.
هنگامی که تیله از شیب بالا می رود، جاذبه زمین می خواهد مانع آن شود. بنابراین تیله مجبور است انرژی جنبشی اش را صرف بالا رفتن بکند. عامل بازدارنده دیگر نیز اصطکاک است. این دو باعث می شوند که تیله در یک نقطه ای که تمام انرژی جنبشی اش تمام شود، دیگر قادر به ادامه مسیر نباشد.
اما چرا مجدد به پایین باز می گردد؟
نکته همین جا است! انرژی جنبشی که در حال کاهش بود در واقع بر اثر حضور جاذبه زمین به نوع دیگری از انرژی به نام پتانسیل در تیله جمع و به عبارتی ذخیره شد. لحظه ای که دیگر تیله توان بالا رفتن نداشت (به دلیل اتمام انرژی جنبشی) توقفی لحظه ای می کند. در این جاست که جاذبه زمین دیگر بر تیله غلبه می کند و او را مجبور به آزاد کردن تمام پتانسیل های ذخیره شده کرده که نتیجه آن به پایین برگشتن تیله است.
البته حواسمان به اصطکاک هم باشد که بخشی از انرژی جنبشی تیله را صرف خودش می کند. فقط مشکل اینجاست که اصطکاک مانند جاذبه نیست و متاسفانه انرژی صرف شده هرگز باز نمی گردد و به صورت گرما در محیط پراکنده می شود!

در یک کلام!
هر چه تیله با سرعت بیشتری روی شیب برود، می تواند به دلیل داشتن انرژی جنبشی بیشتر، تا ارتفاع بالاتری نیز رود.
پس اگر جایی خواستید تیله شما روی ریل از یک سربالایی طولانی عبور کند، لازم است شرایطی ایجاد کنید که تیله با سرعت زیادی وارد شیب شود.

اکنون سوالی که پیش می آید این است: چگونه می توان به تیله بدون آنکه به آن در حین حرکت دست بزنیم، این سرعت را داد؟
به جلسه اول باز می گردیم و به آزمایشی که انجام دادید. پاسخ این سوال را می توانید در این آزمایش پیدا کنید!

  فعالیت2:
سعی کنید بر اساس مجموعه مطالب گفته شده، یک بخش از ریل های خود را به شکل زیر طراحی کنید.

زوایای شیب ها و طول ریل ها را طوری طراحی کنید که تیله بتواند از یک طرف وارد شده و از طرف دیگر کاملا بالا رود. توجه کنید که الزاما اندازه ها و نسبت های این شکل درست نیست. پس سعی کنید به صورت تجربی خودتان کشفش کنید!
همان طور که گفتیم انرژی جنبشی باعث سرعت جسم می شود. رابطه زیر به خوبی این مساله را نشان می دهد.

کهK انرژی جنبشی، m جرم و v سرعت می باشد.
و هنگامی که جسم از ارتفاعی بالا می رود، این انرژی به پتانسیل تبدیل می شود. رابطه زیر مربوط به انرژی پتانسیل است.

که U انرژی پتانسیل، m جرم، g شتاب جاذبه زمین، h ارتفاعی است که جسم در آن قرار دارد.
همانطور که گفتیم، انرژی جنبشی به پتانسیل تبدیل می شود. یعنی تمام K می شود U.
پس داریم:

با کمی ساده سازی:

پس سرعت تیله و ارتفاعی که از آن می تواند بالا رود به این شکل به هم مربوط می شوند.
یعنی به عنوان مثال اگر سرعت دو برابر شود، ارتفاع 4 برابر می شود. اگر سرعت 3 برابر شود، ارتفاع 9 برابر. در کل اگر سرعت زیاد شود ارتفاع نیز افزایش می یابد.
البته توجه کنید که این رابطه دقیق مربوط به حالت بدون اصطکاک است. درست است که در شرایط واقعی کمی اوضاع تغییر می کند، اما دانستن این روابط کمک زیادی به طراحی شما می کند. محاسبات مربوط که اصطکاک کمی پیچیده می شود، بنابراین اثر آن را به صورت تجربی در نظر خواهیم گرفت.
تا این جا می خواستیم شما کمی دیدگاه محاسباتی پیدا کنید تا طراحی ترن را با دقت و پیش بینی بیشتری انجام دهید.
در جلسه آینده به ساخت ترن و ایجاد مسیر های مهیج خواهیم پرداخت.

  فعالیت 3:
سعی کنید با انجام آزمایش های مختلف تاثیر اصطکاک را در حرکت تیله بررسی کنید. در حالت افقی و یا شیبدار آیا این اثر متفاوت است؟ اندازه نیروی اصطکاک به چه عواملی بستگی دارد؟
سعی کنید برای اثر اصطکاک در ذهن خود تقریبی پیدا کنید تا هنگام طراحی آن را اعمال کنید.

جلسه آینده به مروری بر تاریخچه ترن هوایی و انواع مختلف آن می پردازیم تا شما نیز در این فاصله دو هفته ای زمان لازم برای بررسی و حل مسایل گفته شده را داشته باشید.

تکلیف: ______
محل بازدید/ اردو/ خرید: ـــــــــــــــ
منابع مطالعه: ________

مطالب مرتبط:

ترن هوایی_ جلسه اول
ترن هوایی_ جلسه دوم
ترن هوایی_ جلسه سوم
ترن هوایی_جلسه چهارم
ترن هوایی_ جلسه پنجم
ترن هوایی_ جلسه ششم
ترن هوایی_ جلسه هفتم

بخش پروژه های دانش آموزی سایت تبیان
تهیه: سارا قیصری - تنظیم: علی سرمدی