تبیان، دستیار زندگی
هدف این پروژه ساختن دستگاهی است که با دمیدن هوا بتواند صفحه ای را به طور معلق در هوا نگه دارد. معلق ماندن صفحات بر روی بالشتک از هوا امکان حرکت این صفحات با اصطکاک ناچیز را به ما می دهد و لذا ما می توانیم برخورد این صفحات را با هم با فرض صفر بودن ...
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

صفحه باد

صفحه باد

نوع پروژه: فیزیکی- فنی

درجه سختی: ساده

هدف کلی پروژه:

هدف این پروژه ساختن دستگاهی است که با دمیدن هوا بتواند صفحه ای را به طور معلق در هوا نگه دارد. معلق ماندن صفحات بر روی بالشتک از هوا امکان حرکت این صفحات با اصطکاک ناچیز را به ما می دهد و لذا ما می توانیم برخورد این صفحات را با هم با فرض صفر بودن اصطکاک و صلب بودن بررخوردها بررسی نماییم. در ادامه نیز می توان با نصب آهنربا بر روی این صفحات، برخورد مولکول ها را که تحت تاثیر میدان های آن ها می باشد، مدل سازی نموده و بررسی کنیم.

خلاصه پروژه: در این پروژه پس از آشنایی با نیروها و اصول برخورد، اقدام به ساخت یک صفحه باد برای کاهش نیروی اصطکاک خواهید نمود و سپس قوانین بر خورد اجسام را توسط آن بررسی خواهید نمود.

وسائل مورد نیاز: دمنده، صفحه فلزی، دریل، مته 1 یا نیم، چوب و فلز برای ساخت پایه دستگاه

1- آشنایی با نیروها و برخورد

شاید تا به حال هنگام جابجا کردن کمد کتابخانه منزل دچار مشکل شده باشید و احتمالاً کلی لعنت و نفرین فرستاده باشید به یک نیروی مخالف که اسمش را گذاشته ایم اصطکاک. هر چند نیروی اصطکاک همیشه هم بد نیست اما همیشه به عنوان یک نیروی مخافت عمل می کند.

صفحه باد

پروژه ای که می خواهیم در اینجا مطرح کنیم کم کردن اصطکاک تا حد امکان و بررسی برخی از پدیده هاست که لازمه آن کم بودن (یا نبودن) اصطکاک است. (برای رسیدن به این هدف باید دستگاهی بسازیم که ما اسم آن را صفحه باد می نامیم.

این دستگاه شامل یک صفحه با تعداد زیادی سوراخ است که هوا از زیر این صفحه دمیده می شود و در نتیجه از سوراخ های صفحه خارج می شود حال اگر ما یک صفحه ای دایره ای را روی این سوراخ ها قرار دهیم بدلیل نیرویی که هوای خارج شده از سوراخ ها به صفحه وارد می کند این صفحه می تواند بالا برود و به حالت تعادل روی یک لایه از هوا قرار گیرد. بنابراین اگر این صفحه را حرکت دهیم روی یک لایه از هوا حرکت می کند و در نتیجه اصطکاک آن بسیار کم خواهد بود.

صفحه بادصفحه باد

حال اگر دو صفحه را روی لایه هوای تشکیل شده حرکت دهیم تا به هم برخورد کنند می توانیم برخی از قوانین فیزیکی را در مورد برخورد اجسام بدست آوریم.
برخورد
حتماً برایتان پیش آمده که بخواهیم یک ماشین را هل بدهید. وقتی که شما ماشین را هول می دهید در حقیقت دارید به ماشین نیرو وارد می کنید (چون حتماً می دانید که هر گونه کشیدن یا هول دادن را نیرو می گوییم.) اما اگر شما فقط برای 10 ثانیه به ماشین نیرو وارد کنید ماشین می تواند به سرعتی برسد که راننده آن را روشن کند؟ قطعاً نه. اما اگر همین نیرویی که وارد می کردید را به مدت طولانی تری وارد کنید می بینید که هر لحظه سرعت ماشین بیشتر می شود. پس می فهمیم که با یک نیروی مشخص در مدت زمان بیشتر می توان سرعت یک ماشین (با جرم مشخص) را افزایش داد. یا به عبارتی اگر نیرو وارد به جسم و جرم یک جسم ثابت باشند افزایش زمان و افزایش سرعت رابطه مشخصی دارند.
افزایش زمان متناسب با افزایش سرعت
حالا فرض کنید که همان نیرو را در همان مدت زمان به جای وارد کردن به یک ماشین به یک موتور وارد می کردید که جرم خیلی کمتری دارد. چه اتفاقی می افتد؟ بله، سرعت موتور خیلی بیشتر از سرعت ماشین می شود. پس با یک نیروی ثابت در زمان ثابت برای جرم کمتر افزایش سرعت بیشتری داریم.
افزایش سرعت متناسب است با یک تقسیم بر جرم
بدیهی است که در حالتی که نیروی کمتری به ماشین وارد شود در یک مدت زمان مشخص و جرم ثابت افزایش سرعت کمتر می شود. یا به عبارتی نیرو با افزایش سرعت رابطه مستقیم دارد یعنی
افزایش سرعت متناسب است با نیرو
و در نهایت برای اینکه یک ماشین با جرم ثابت به یک سرعت مشخصی برسد هر چه قدر نیروی کمتری به آن وارد شود باید مدت زمان هول دادن ما نیز بیشتر شود و هر چه نیروی بیشتری وارد کنیم رسیدن به سرعت مورد نظر در زمان کمتری اتفاق می افتد. یا به عبارتی در حالتی که جرم و افزایش سرعت ثابت باشند نیرو و زمانی که نیرو باید وارد شود با هم رابطه معکوس دارند.
زمان اثر نیرو متناسب است با یک تقسیم بر نیرو
اگر این 4 رابطه را با هم ترکیب کنیم به رابطه زیر می رسیم:

M.∆V=F.∆T

زمان وارد کردن نیرو:∆T

نیروی وارد بر جسم:F

جرم جسم:m

افزایش سرعت: ∆V

علامت   را دلتا بخوانید

یک بار دیگر 4 حالت قبل را از روی این رابطه بدست بیاورید.

اگر بخواهیم در این رابطه نیروی وارد بر جسم را بدست آوریم به نتیجه جالبی می رسیم.

صفحه باد

و می دانیم که تغییرات سرعت در واحد زمان یعنی شتاب یا به عبارتی

صفحه باد

بنابراین داریم: F=m*a

که این همان قانون دوم است. ما به m.∆v اندازه حرکت می گوییم.

حالا فرض کنید که دو گلوله به یکدیگر برخورد می کنند که جرم آن ها به ترتیب برابر است با m1 و m2. طبق قانون سوم نیوتن نیرویی که گلوله 1 به 2 وارد می کند (که با F12 نشانش می دهیم.) برابر است اما در جهت عکس، یعنی یکی به سمت راست نیرو وارد می کند و دیگری به سمت چپ اگر نیروها را در یک بردار نشان دهیم (مانند شکل) می توانیم بگوییم که یکی از آن ها مثبت است و دیگری منفی

صفحه باد

اما از نظر اندازه با هم برابرتر بنابراین می توانیم بنویسیم:

F12=-F21

می توانیم با روابطی که از بالا بدست آوردیم بنویسیم:

صفحه باد

∆T2 و ∆T1  زمان اثر گلوله یک به دو و زمان اثر گلوله دو به یک است که با هم برابرند:
∆V1 : تغییرات سرعت گلوله شماره یک است.

∆V2 : تغییرات سرعت گلوله شماره دو است.

بنابراین داریم:

∆t1 = ∆t2 ==> m1 . ∆v1 = -m2 ∆v2

که m1× v1 که اندازه حرکت جسم یک است و m2× v2 اندازه حرکت جسم دو است. بنابراین جمع اندازه حرکت دو جسم ثابت است و تغییر نمی کند.

برای مثال فرض کنید که یک گلوله به جرم 1 کیلوگرم با سرعت اولیه 2 متر بر ثانیه به یک گلوله دیگر به جرم 4 کیلوگرم برخورد می کند. اگر بعد از برخورد سرعت گلوله اول به 1 متر بر ثانیه رسیده باشد. سرعت گلوله دوم چقدر تغییر می کند؟ اختلاف سرعت جرم اول ∆v1  برابر است با 2-1=1 متر بر ثانیه.

پس داریم:

صفحه باد

یعنی سرعت جسم دوم به اندازه یک چهارم متر بر ثانیه تغییر کرده است.

در یک حالت خاص که جرم جسم اول با جرم جسم دوم برابر است تغییر سرعت جسم اول برابر است با تغییر سرعت جسم دوم مثلاً اگر سرعت جسم اول 2 متر بر ثانیه کم شود سرعت جسم دوم 2 متر بر ثانیه زیاد می شود.

برای مطالعه بیشتر مراجعه کنید به کتاب فیزیک پایه جلد اول صفحه 159 الی 169

کتاب فیزیک هالیدی جلد اول صفحه 325 الی 373

2-3: ساخت صفحه باد

ساخت صفحه باد شامل مراحل زیر می شود:

- ساخت صفحه

- ساخت بدنه

- ساخت تقسیم کننده و نازل هوای ورودی

- ساخت صفحه های متحرک

صفحه باد

* ساخت صفحه

این مرحله هم ساده و هم بسیار وقت گیر است و احتیاج به حوصله فوق العاده زیادی دارد. در این مرحله باید صفحه ای فلزی یا چوبی انتخاب شود که تا حد امکان هم ضخامت آن کم باشد و هم محکم باشد به طوری که وقتی لبه های صفحه روی تکیه گاهی قرار می گیرد اصطلاحاً شکم ندهد و کاملاً صاف بایستد. البته این ضخامت کاملاً به اندازه های صفحه شما مربوط می شود.

اندازه عرض صفحه مستطیل شکل ما می تواند بین 40 تا 70 سانتی متر و اندازه های طول آن می تواند بین 80 تا 120 متغیر باشد و کاملاً به شما بستگی دارد.

صفحه باد

روی صفحه مورد نظر را به صورت یک شبکه مربعی شکل با اندازه اضلاع 2 سانتی متر با خودکار (برای چوب) یا سوزن خط کشی (برای فلز) بکشید. رئوس مربع ها را نشانه گذاری کنید (برای صفحه فلزی حتماً از وسیله ای به نام «سمبه» که دقیقاً برای همین کار ساخته شده است استفاده کنید).

محل های نشانه گذاری شده را با یک دریل و مته با قطر بین 1 تا 2 میلی متر سوراخ کنید. برای سوراخ کردن فلز همانطور که گفته شد حتماً اول با سمبه علامت گذاری کرده باشید که مته از محل نشان گذاری شده لیز نخورد.

در هنگام کار هم خیلی دقت کنید که صفحه شما تاب بر ندارد چون قطعاً نتیجه نمی گیرید.

دقت کنید که تعداد این سوراخ ها خیلی زیاد است مثلاً برای یک صفحه با ابعاد 50 در 100 تعداد 1250 عدد سوراخ باید روی صفحه وجود داشته باشد به همین دلیل کار خسته کننده ای است. پیشنهاد می کنم که این مرحله از کار را با مراحل دیگر به طور موازی جلو ببرید که خستگی کار باعث ناامیدیتان نشود!

صفحه باد

* ساخت بدنه

بدنه صفحه باد در حقیقت دیوارهای اطراف صفحه می باشند که مانع از افتادن صفحه متحرک می باشد ارتفاع این دیواره حداقل باید 7 سانتی متر باشد. و از پایین صفحه هم بهتر است که یک ارتفاع 5 سانتی متری وجود داشته باشد که برای اتصال نازل هوای ورودی دچار مشکل نشویم. (مانند شکل زیر)

صفحه باد

همان طور که در شکل نشان داده شده خیلی بهتر است که صفحه بصورت کشویی وارد آن شود تا از خروج باد از کناره ها تا حد امکان کاسته شود.

دقت کنید که ابعاد بدنه باید خیلی دقیق و هم اندازه صفحه باشد، لذا داشتن یک صفحه کاملاً مستطیل با گوشه های کاملاً عمود و اندازه های دقیق ضروری به نظر می رسد. در شکل فوق نشان داده شده است که برای بهتر اجرا شدن کار می توان صفحه را به صورت کشویی وارد چهار چوب ساخته شده کرد.

برای رساندن هوای تقسیم شده به صفحه باد می توانید از چهار صفحه ذوزنقه ای شکل (چوبی یا فلزی) استفاده کنید تا هوا را از تقسیم کننده به صفحه باد برسانید (شکل زیر). سعی کنید که ارتفاع آن ها خیلی زیاد نباشد که هم برای جا دادن آن ها دچار مشکل نشوید و هم شدت هوای ورودی شما کم نشود. برای این کار باید فوق العاده دقت کنید که درزها کاملاً پوشانده شده باشند که هوا از آن ها خارج نشود.

صفحه باد

البته راه ساده تری هم وجود دارد که با یک پارچه ضخیم مانند برزنت یا پلاستیک محکم اتصال بین تقسیم کننده و صفحه باد ایجاد شود که البته شاید خیلی زیبا نباشد.

حالا این تکه را به تقسیم کننده هوا مانند شکل زیر وصل می کنیم.

صفحه باد

* ساخت نازل های ورود هوا

هوای تولید شده توسط دمنده باید به صورت کاملاً یکسان به تمام نقاط صفحه برسد تا هوای خروجی از سوراخ ها در همه نقاط یکسان باشد چون در غیر اینصورت هوا از برخی از سوراخ ها با شدت بیرون می آید و از برخی دیگر اصلاً بیرون نمی آید به همین خاطر در صورتی که صفحه متحرک ما به سوراخ های پر فشار برسد قسمتی از آن به ناگهان خیلی بالا می رود و مانع حرکت یکنواخت آن می شود و در صورتی که به سوراخ هایی برسد که هوا از آن ها بیرون نیاید این صفحات کاملاً می افتند و دیگر حرکت نمی کنند. به همین دلیل باید هوای ورودی تا آنجایی که ممکن است به صورت یکنواخت بین سوراخ ها تقسیم شود. برای این کار ما باید در سر خروجی دمنده صفحه ای مشبک مانند شکل قرار دهیم که هوای ورودی را به 4 یا 6 قسمت تقسیم و جهت دهی کند که هوا به صورت تقریباً یکسان پخش شود.

صفحه بادصفحه باد

در نهایت هم باید یک پایه برای صفحه باد ساخته شود که صفحه روی آن قرار گیرد. در مورد ابعاد پایه کاملاً دقت کنید که فقط بدنه دستگاه روی پایه باید باشد و نه هیچ قسمت دیگری.

حالا صفحه را بر روی پایه سوار می کنید و سپس آن را به رساننده هوا وصل می کنید. در انتهای رساننده هوا به صفحه تقسیم کننده هوا را قرار می دهید و دمنده را به تقسیم کننده وصل می کنید به این ترتیب دستگاه مانند شکل زیر آماده برای کار کردن می باشد.

صفحه باد

حال می توانید مطالعات خود را با انجام آزمایش هایی بر روی این دستگاه بررسی نمایید.

صفحه باد

گسترش دادن پروژه:

برای گسترش دادن پروژه می توانید برخوردهای 1 لاستیک را نیز بررسی کنید و وجود دمپر را نیز بر روی برخوردها بررسی کنید. همچنین می توانید بر روی این صفحات معلق آهنربا نصب نموده و رفتار آن ها را در هنگام برخورد بررسی کنید.

تکلیف: کلیه مشاهدات خود را مکتوب نموده و برای ما ارسال نمایید.

از دستگاه ساخته شده عکس گرفته و برای ما ارسال کنید.

محل بازدید/ اردو/ خرید: شهربازی

منابع مطالعه: کتاب فیزیکی هالیدی

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان

تنظیم: اعظم اژدری

مطالب مرتبط:

صفحه باد

نیروگاه بادی منجیل محلی مناسب برای بازدید دانش پژوهان