بازدید :

تاریخ : پنج شنبه 1392/11/24

ساخت بالن - جلسه چهارم

اهداف:

قانون ارشمیدس

معرفی اجزای بالن های امروزی

وسایل مورد نیاز:

بادکنک

روند کار

حال وقت آن رسیده که این سوال ها مطرح شود.

علت بالا رفتن بالن چیست و چه نیروهایی به این بالن وارد می شود و نقش هر قسمت چیست؟

همان طور که می دانید، به تمام اجسام نزدیک به زمین نیرویی وارد می شود که این نیرو بر اساس شتاب جاذبه زمین قابل محاسبه است و این همان نیروی وزن است که با توجه به جرم جسم تغییر می کند.

کمی به پدیده ها و نیروهای اطرافتان دقت کنید، کدام یک از آن ها خلاف جهت جاذبه هستند؟

1. نیروی دست فردی در بلند کردن اشیاء

2. نیروی طناب یک جرثقیل ( برای خنثی کردن اثر وزن)

3. نیرویی که پره های چرخان پروانه هلی کوپتر جهت بالا نگه داشتن آن وارد می کنند.

4. نیرویی که هواپیما یا حتی موشک کاغذی را بالا نگه می دارد.

5. حرکت سریع هوا به بیرون ( پرواز باد کنک پر از باد) (امتحان کنید!)

6. حرکت سریع آتش به بیرون (حرکت موشک در هوا)

7. بالا آمدن حباب ها از داخل آب یا بالا آمدن یخ در آب و کشتی روی آب

8. بالا رفتن بالن ( نیروی ارشمیدسی)

9. اسکی روی آب

و ده ها پدیده دیگر که می توانید به آن ها فکر کرده و به فهرست بالا اضافه کنید.

نکته:

سیال: گاز یا مایع را سیال می گوییم ( کلا هر چیزی که شکل ظرف را بخود بگیرد)

اگر بخواهیم فهرست بالا را کمی سامان داده و دسته بندی کنیم می توانیم این طور فکر کنیم:

الف) در این میان برخی نیروها نیاز به قرار گرفتن جسم درون یک سیال (گاز یا مایع) دارند اما برخی دیگر نه.

به طور مثال: نیروی کابل جرثقیل و یا نیروی دست در بلند کردن جسم.

جالب است بدانید، نیروی ناشی از خروج سریع سوخت از موشک نیز از این قبیل است. توضیح کامل آن خارج از بحث این پروژه است اما فقط این را بگوییم که موشک در فضای خارج از زمین که هیچ هوایی نیست حرکت می کند!

دسته ی الف(دسته نیاز به سیال) را حذف می کنیم!

ب) در برخی سرعت حرکت جسم بسیار مهم و تعیین کننده است! مثلاً حرکت اسکی باز روی آب را در نظر بگیرید و با حرکت کشتی روی آب مقایسه کنید. کشتی اگر ساکن باشد همچنان روی آب می ماند اما اسکی باز اگر کمی سرعتش کم شود دیگر روی آب نمی ماند. حرکت هواپیما و هلی کوپتر هم به همین ترتیب است و سرعت جسم در اندازه ی نیروی رو به بالا مۆثر است. به این ترتیب این قبیل را هم از لیست حذف می کنیم.

ج) گروه آخر که گروه باقی مانده محسوب می شود، حرکت هایی اند که نیروی خلاف جاذبه کاری به سرعت جسم ندارد و در محیط سیال(گاز و مایع) رخ می دهد.

حرکت حباب در آب، شناوری کشتی روی آب و بالاخره بالا رفتن بالن از این جمله اند.

وقتی به نوع حرکت دسته آخر (ج) فکر می کنیم، متوجه نوعی تمایل جهت حرکت در خلاف جاذبه در این اجسام می شویم. اگر برای مثال بادکنکی را به زیر آب برده و رها کنیم بادکنک گویی وزنی منفی پیدا کرده و به شدت تمایل دارد به بالا رود.( بدن خود ما هم در استخر همین طور رفتار می کند.) هنگامی که زیر آب می رویم احساس می کنیم نیرویی از پایین ما را به سمت بالا هل می دهد. انگار که آب تمایلی به حضور ما ندارد.

سوال: چرا این چنین می شود؟

چون آب نمی گذارد بعضی از اجسام در زیر بمانند درحالی که با حضور بعضی دیگر مشکلی ندارد. مثلاً اگر تکه فلزی را کف استخر بیاندازیم، همان پایین می ماند.

تفاوت در چه چیزی است؟

آیا وزن آن جسم است که مهم است؟

اگر با این نظر موافق هستید. پس چطور می شود که یک کشتی با آن عظمت و وزنش روی آب شناور می شود اما سکه ی کوچکی می تواند تا عمیق ترین نقطه آب فرو رود.

پس می بینیم که وزن معیار مناسبی نیست؟ پس آن چه عاملی است که اهمیت دارد و مۆثر است؟ آیا ابعاد و اندازه؟ یا به عبارتی مهم جسم است؟

مطمئناً نه! این مشخص است که یک سکه 25 تومانی و یا یک صندوق بزرگ پر از سکه های 25 تومانی هر دو وضعیت مشابهی خواهند داشت!(اگر این طور نبود دزدان دریایی اینقدر امکانات نداشتند!) پس این چه چیزی است که بین سکه 25 تومانی و یک کشتی متفاوت است؟ جنس ماده؟

درست است این جنس ماده است که متفاوت بوده و می تواند تعیین کننده باشد.

معمای معروفی که در کودکی برایمان بسیار جالب بود یادآوری می کنم: " یک کیلو پنبه سنگین تر است یا یک کیلو آهن؟"

فکر می کنم دیگر قضیه دستتان آمده است....

کلید همه پرسش ها و ابهامات ما در مورد حرکت بالا رونده اجسام و شناوری آنها روی آب یک کلمه است: "چگالی"

همان طور که می دانید، چگالی (جرم حجمی) عبارت است از نسبت جرم جسم به حجم آن. اجسامی که چگالی کمی دارند یعنی جرم خاصی از آن ها حجم زیادی را اشغال می کند. ( نماد چگالی (بر حسب کیلو گرم بر متر مکعب ) و m نماد جرم ( بر حسب کیلو گرم ) و V نماد حجم (بر حسب متر مکعب) است.

در واقع سعی کنید مورد آخر را این طوری که می گوییم تصور کنید :

دکمه زمان را می زنیم تا همه پدیده های فیزیکی از کار بیفتد.

حالا اگر دو کره هم اندازه به ما بدهند که یکی از جنس آب و دیگر از جنس روغن باشد به ما بدهند کدامشان جرم بیشتری دارد؟ ( زمان را برای این از کار انداختیم که کره ها روی زمین نریزند و بتوانیم آن ها را نگه داریم) می دانیم که روغن چگالی کمتری از آب دارد و در حجم های مساوی آب از روغن سنگینتر است.

چگالی آب برابر با 1000kg/m3 و چگالی روغن برابر ب 900kg/m3 است.

کره سمت راست از جنس روغن و سمت چپ از جنس آب است

این یک آزمایش فرضی است برای آن که آن چه رخ می دهد را احساس کنید. از میان یک ظرف پر از آب یک کره از آب به اندازه کره های بالا برداشته، یکبار کره آب را در آن گذاشته یکبار کره روغن را.

کره آب را داخل حفره قرار دادیم

کره روغن را داخل حفره قرار دادیم

حالت اول که همان حالتی است که آب در ظرف بود و با روشن شدن زمان هیچ تغییری نکرده است بنابراین آب داخل ظرف به خوبی وزن کره آب را تحمل کرده است و دارای وضعیت پایدار است.

ولی در حالت دوم وقتی زمان را به کار بیندازیم آب های درون ظرف متوجه می شوند که گویا باری که روی دوش آن ها بود سبکتر شده است بنابراین می توانند کره روغنی را بالا ببرند.

چگالی بدن انسان از آب کمتر است یعنی وزن آب هم حجم آدم از وزن آدم بیشتره بنابراین وقتی که ارشمیدس در وان پر از آب رفت و دید که آب او را به بیرون هل می دهد ، اسم این نیروی را نیروی ارشمیدسی گذاشت ( حیف که دیر شد، اگه ما چند سال زودتر (2000 سال ) به دنیا آمده بودیم الان اسم ما روی این نیرو گذاشته می شد.)

اگر بخواهیم به صورت علمی به رابطه نیروی ارشمیدسی برسیم به صورت زیر عمل می کنیم ( با توجه به مثال بالا) :

• حجم کره ای که از داخل آب بیرون آورده بودیم را V در نظر می گیریم (که واحد آن مترمکعب است)

• جرم این کره از جنس آب به صورت زیر است :

که در آن water چگالی آب بر حسب کیلو گرم بر متر مکعب است

• کره آب در جای خود در تعادل کامل است بنابراین آب های اطراف به اندازه وزنش، به آن نیرو وارد کرده که عبارتست از:

که در آن g شتاب گرانش زمین است.

• چگالی روغن را با oil نشان می دهیم و جرم کره روغنی با همان حجم قبلی برابر است با :

• نیرویی که زمین به کره روغنی اعمال می کند برابر است با : (وزن آن)

نیرویی که از اطراف به کره روغنی وارد می شوند، مانند قبل است.(F1)

• در نتیجه اختلاف نیرویی که بعد از به راه انداختن زمان دیده میشود با رابطه زیر برابر است:

در این رابطه اگر جای آب و روغن را با هر چیز دیگری هم عوض کنیم این قضیه درست باقی خواهد ماند.

حال با توجه به رابطه بالا داریم:

راه های افزایش این نیرو چیست ؟

1. افزایش V که حجم است. (حجم کره روغن یا به عبارتی حجم مقدار آبی که برداشته یا جابجا شده.

2. افزایش اختلاف چگالی ها که به دو جنس ماده مربوط می شود.

3. افزایش شتاب گرانش ( انجام آزمایش روی ستاره های بزرگتر)

تا اینجا اطلاعات و نگرش خوبی راجع به قانون ارشمیدوس و بحث شناوری بدست آوردیم، حالا بالن ما کجای این قصه است؟ پس وقت آن شده که بدانید: بالنی که ما ساختیم از هوای هم حجمش سبکتر است!! یا به عبارت دیگه چگالی اش از هوا کمتر است در ضمن به قدری سبکتر است که می توان ظرف پنبه الکلی، کیسه نازک، سیم ها و چسب ها را هم با خودش بلند کند.

مگر چگالی هوا چقدر است ؟

چگالی هوا بر روی سطح زمین در جایی نزدیک به دریا در حدود است.

یعنی واقعاً چیزی هست که چگالی اش از هوا کمتر باشد ؟

- گاز هلیوم ( 0.177 kg/m3

- گاز هیدروژن (0.089 kg/m3 )

- خلاء ( 0kg/m3) به این معنی که اگر هوای داخل ظرفی را خالی کنیم ولی حجم آن را ثابت نگه داریم ، چگالی هوای داخل ظرف به صفر نزدیک می شود یا خیلی خیلی ساده تر اینکه داریم ظرف را خالی می کنیم پس باید جرمش کم شود و چون حجمش ثابت است چگالی اش کم می شود.

- بخار آب داغ

- هوای گرم بالای شعله اجاق (هر چه گرمتر شود چگالی اش از هوا کمتر می شود.)

بر اساس مطالبی که گفته شد، محاسبه کنید که اگر چه تعداد بادکنک به حجم 10 لیتر (01/0 متر مکعب( محتوی گاز

هیدروژن به خود ببندید تا شما را به هوا ببرد. (جرم پوسته بادکنک 5 گرم در نظر گرفته شود.)

اگر محاسبات را انجام دهید می بینید که به طور مثال: برای بالا بردن یک دانش آموز 62 کیلو گرمی 8857 تا بادکنک 10 لیتری لازم است.

نتیجه:

پس اگر توی فیلم ها می بینید که یک نفر با گرفتن دسته بادکنک های یه بادکنک فروش به هوا پرواز می کنه بدانید که نویسنده فیلمنامه تا حالا داخل وان حمام نرفته و قانون ارشمیدس را نمی شناسد.

با توجه به مثال که حل کردید روش استفاده از بادکنک های هیدروژنی عملاً ناممکن است و ما نیاز داریم چگالی هوای داخل بالن خیلی کمتر از این ها باشد تا اندازه بالن نامعقول نباشد! این کاهش از طریق شعله ای که روشن کردیم و با گرم کردن هوای داخل بالن میسر است که توضیح آن هدف جلسه بعد است.

اجزای بالن

اجزای یک بالن امروزی به صورت زیر است :

در این بالن ها گاز پروپان (C3H8 ) که در فشار زیاد مایع می شود داخل کپسول ها قرار داده شده است و راننده ای که در داخل سبد نشسته است می تواند شعله ها را کم و زیاد کند. (گاز پروپان فقط به عنوان سوخت برای روشن کردن شعله بکار می رود.)

سبد به همراه مخازن گاز پروپان

مشعل های گازی
شعله گاز که از مشعل ها بیرون آمده است

چنانچه راننده بالن بخواهد بالن را پایین بیاورد ، مقداری از هوای گرم داخل بالن را به وسیله دریچه بالن خالی می کند و به این صورت ، نیروی بالا برنده بالن کم می شود تا حدی که بالن رو به پایین حرکت کند.

پر کردن بالن های بزرگ همانند راه اندازی بالنی که ساختیم سخت است و شاید در ابعاد بزرگتر بسیار سخت تر هم باشد.

بنابراین برای پر کردن بالن ها از یک فن هوای بسیار قوی استفاده می شود که با فشار بادی که ایجاد می کند ، بالن را همانند بادکنک باد می کند.

دریچه بالن که در بالای بالن قرار دارد

فن بزرگ در حال باد کردن بالن
شعله قرار داده شده در ورودی بالن

سپس بعد از مقداری که بالن باد شد، می توانند شعله را به درون آن هدایت کنند تا هوای داخل آن را گرم کند و محفظه بالن کمی بلند شود.

در نهایت راننده در داخل سبد می ایستد و با روشن کردن مشعل ها بالن را به قدری گرم می کند که از زمین بلند شود.

تکلیف1: با توجه به عکس زیر و با ایده گرفتن از آزمایشی که بتوان اندازه نیروی ارشمیدس وارد بر جسمی را توسط آن اندازه گیری کرد، طراحی کنید. برای سه جسم مختلف مقدار این نیرو را اندازه گیری کنید.

پیشنهاد: می توانید آزمایش را با سیال های مختلف مثلاً آب، روغن، آب نمک غلیظ و ... انجام دهید و نتیجه را مقایسه کنید. در جدول فوق یادداشت کنید و آن ها را با هم مقایسه کنید.

تکلیف2: فکر کردن را تمرین کنیم!

در طول هفته آینده در طی روز به پدیده های اطراف خود خوب دقت کنید و پدیده هایی را که نیرویی خلاف جاذبه زمین در آن ها وجود دارد، پیدا کنید.

نکته: نیازی به نوشتن این پدیده ها نیست و ما فقط می خواهیم فکرتان را با این موضوع درگیر کنید و عادت کنید که از نگاه یک دانشمند به اطراف خود نگاه کنید.

راهی که بسیار خوب است این است که ابتدا محاسبه کنیم که هر بادکنک چقدر نیرو رو به بالا وارد می کند.