سه شنبه 3 اسفند 1395 - 24 جمادي الاول 1438 - 21 فوريه 2017
شعله ای که قرار می دهیم چه نقشی دارد. مطمئناً این شعله هوای داخل محفظه بالن را گرم می کند و در اثر این گرمایش اختلاف ...
عکس نویسنده
عکس نویسنده
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

ساخت بالن - جلسه پنجم

اهداف:

    قانون گازها

    آزمایش

وسایل مورد نیاز:

    1- قوطی مایع ظرف شویی (ریکا) حدود یک لیتری طوری که سوراخ سر آن کوچک باشد و با فرو کردن ظرف خالی در آب، پر نشود.

    2- فنجان کوچک

    3- سطل آب طوری که ظرف مایع ظرف شویی داخل آن جا شود.

    4- سرنگ مدرج 10cc

    5- دماسنج

    6- آب سرد

    7- آب گرم

    8- (وزن بالنی که در جلسه سوم اندازه گیری شد)

 

چرا بالن بالا می رود؟

با توجه به مطالب جلسه قبل می خواهیم ببینیم که در چه حالتی بالن از زمین بلند می شود. مطابق محاسبات قبلی دیدیم که نیروی بلند شدن از زمین با اختلاف چگالی و حجم نسبت مستقیم دارد.

هنوز مشخص نشده است که شعله ای که قرار می دهیم چه نقشی دارد. مطمئناً این شعله هوای داخل محفظه بالن را گرم می کند و در اثر این گرمایش اختلاف چگالی را محاسبه می کنیم.

 

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که ...

چرا هوا از دودکش بالا می رود ؟

چرا قابلمه را روی اجاق گاز قرار می دهیم نه زیر آن؟

چرا جایخی بالای یخچال است و غذا ها را زیر آن می گذاریم؟

 

بله درست است جواب : هوای گرم بالا می رود و هوای سرد پایین می رود.

حالا هدف ما این است که این اختلاف چگالی میان هوای گرم و سرد را محاسبه کنیم.

 

آزمایش

می خواهیم حساب کنیم که در اثر گرما چقدر هوا منبسط می شود و در واقع چقدر تغییر حجم داریم.

1- ظرف مایع ظرفشویی خالی را کاملا تمیز می کنیم و می شوییم.

2- آن را پر از آب می کنیم و حجم آب را اندازه می گیریم.

حجم آب را می توانید با سرنگ اندازه بگیرید ولی خیلی طول می کشد و راه راحتتر آن است که ابتدا حجم یک فنجان کوچک را با سرنگ اندازه بگیرید و با آن حجم ظرف مایع ظرفشویی را اندازه بگیرید.

تعداد دفعاتی که فنجان پر می شود ضرب در حجم فنجان + حجم باقی مانده که توسط سرنگ اندازه گیری می شود ، برابر است با حجم ظرف (شاید حجم ظرف روی آن نوشته شده باشد که در این صورت کارتان راحت می شود)

 

3- سطل خالی را برداشته و ظرف مایع ظرفشویی خالی را به صورت برعکس (از سمت دهانه) در آن قرار می دهیم، حال درون سطل آب گرم می ریزیم و ظرف مایع ظرفشویی را غرق در آب نگه می داریم. در این هنگام هوای درون ظرف منبسط می شود و حباب هوا بیرون می آید. در همین حالت دمای آب داخل سطل را با دماسنج اندازه می گیریم و به مدت 10 دقیقه نگه می داریم.

 

ساخت بالن - جلسه پنجم

 

4- به سرعت سطل را خالی می کنیم و داخل آن آب سرد می ریزیم و ظرف مایع ظرفشویی را در آن غرق می کنیم طوری که همه جای آن درون آب سرد باشد (در حین این عمل هیچ حبابی نباید از ظرف بیرون بیاید) و دمای آب سرد را اندازه می گیریم. در این حالت می بایست مقداری آب سرد وارد ظرف مایع ظرفشویی شده باشد ، چرا که هوا منقبض شده و آب را به درون ظرف مایع ظرفشویی می کشد.

 

ساخت بالن - جلسه پنجم

5- حجم آبی که وارد ظرف شده است را با سرنگ اندازه می گیریم.

 

ساخت بالن - جلسه پنجم

نتیجه

حالا می توانیم اختلاف حجم هوای سرد و گرم را محاسبه کنیم و به این صورت تغییر چگالی را نیز بدست می آوریم.

اختلاف حجم هوای گرم و سرد برابر با حجم آبی است که وارد ظرف مایع ظرفشویی شده است.

Tc : دمای آب سرد بر حسب سانتیگراد

Th : دمای آب گرم بر حسب سانتیگراد

V : حجم ظرف

ΔV : حجم آبی که داخل ظرف شده است. که در واقع به همان میزان که آب وارد ظرف شده حجم هوای درون آن کاهش یافته است.     ساخت بالن - جلسه پنجم

که در آن K برابر است با ضریب انبساط هوا و می توانیم آن را محاسبه کنیم.

البته قانون گازها هم وجود دارد.

صورت این قانون مطابق زیر است

 

در شرایطی که فشار ها برابر است داریم :

ساخت بالن - جلسه پنجم

 

دماها و حجم ظرف را قرار دهید و به صورت تئوری آن را بدست آورید. و آن را با نتایج عملی مقایسه کنید.( البته کمی اختلاف طبیعی است چون در عمل حجم ظرف هم تغییر می کند که در محاسبات منظور نشده.

حالا می خواهیم تغییر چگالی را نیز بدست آوریم.

چگالی برابر بود با جرم تقسیم بر حجم از وقتی که ظرف مایع ظرفشویی را از آب گرم بیرون آوردیم، و بالافاصله داخل آب سرد گذاشتیم، هیچ هوایی داخل ظرف نشده است، بنابراین جرم هوای داخل آن در حالت گرم و سرد برابر بوده است.

ولی حجم آن تغییر کرده است پس چگالی آن هم تغییر می کند.

در نتیجه داریم :

ساخت بالن - جلسه پنجم

ساخت بالن - جلسه پنجم: چگالی هوای سرد
ساخت بالن - جلسه پنجم: چگالی هوای گرم

چگالی هوای سرد در حدود3/1 کیلوگرم بر مترمکعب است پس می توانیم اختلاف چگالی ها را نیز بدست آوریم.

 

نقش گرما در بالا رفتن بالن

راستی علت انبساط هوا چیست ؟

چرا وقتی هوا را گرم می کنیم حجم آن زیاد می شود؟

آن چه رخ می دهد این است که وقتی هوا گرم می شود ، مولکول های آن سریعتر حرکت می کنند. و وقتی که مولکول ها سریعتر حرکت کنند، باید از هم فاصله بیشتری داشته باشند.

همانند وقتی که در اتوبان ترافیک می شود ، ماشین ها به هم نزدیک می شوند ولی وقتی سرعت بالا می رود ، فاصله ماشین ها از هم زیاد می شود)

درون محفظه بالن، هوا گرم است ولی بیرون آن هوا سرد است.

نرم افزار زیر را دانلود کرده و بعد از نصب و اجرای آن در قسمت Molecules می توانید با تغییر دما رفتار ملکول های گاز را به صورت انیمیشن مشاهده کنید.

 

دانلود نرم افزار

 

توجه کنید در قسمت view able molecules تعداد ملکول های موجود را تنظیم می کنید که ترجیحاً تعداد ملکول ها کمتر(در حد 5 تا) باشد، مشاهده رفتار آنها راحت تر است.

در قسمت Temperature با حرکت دادن دکمه به سمت راست دما افزایش و به سمت چپ دما کاهش دارد.

همچنین در قسمت Isobaric ( که فرآیند هم فشار را نشان می دهد که در واقع همین فرآیندی است که با ظرف مایع ظرفشویی انجام دادیم) اثرات دما قابل مشاهده است.

 

ساخت بالن - جلسه پنجم

وقتی مولکول های هوای گرم فاصله بیشتری از هم دارند ، پس در فضای محدود بالن، تعداد مولکول های هوای گرم کمتر از سرد است و در نتیجه جرم آن نیز کمتر است. بنابراین چگالی هوای گرم کمتر از هوای سرد است. پس می توان نتیجه گرفت که دریچه ای که در بالن های واقعی در بالای آن ها قرار دارد ، برای چه استفاده می شود. هنگامی که این دریچه باز شود ، هوای گرم داخل بالن خارج می شود و هوای سرد جای آن را می گیرد. در نتیجه هوای داخل بالن خنک می شود و نیروی بالا برنده بالن کم می شود.

 

برای ساخت بالن اصلی لازم است که بتوانیم حدود اختلاف چگالی هوای داخل و بیرون بالن قبلی را بدست آوریم.

برای این کار لازم است که حجم محفظه و جرم کل بالن ساخته شده را بدانیم.

وزن کل بالنی که در جلسه سوم اندازه گیری شد برابر است با مجموع وزن محفظه و پنبه الکلی

و مقدار آن را با m نشان می دهیم.

 

 محاسبه حجم بالن

ولی برای حجم آن نمی توانیم به راحتی محاسبه کنیم ، چرا که شکل آن فضایی است و به سادگی قابل محاسبه نیست.

برای این کار می توانیم آن را با ترکیب چند شکل ساده تقریب بزنیم.

برای مثال اگر پایین و بالای آن را با هرم تقریب بزنیم.

 

ساخت بالن - جلسه پنجم

ابعاد این هرم ها به صورت زیر خواهد بود.

 

ساخت بالن - جلسه پنجم

 

حجم هرم برابر است با مساحت قاعده ضربدر ارتفاع، تقسیم بر 3

پس برای هرم سمت چپ فقط کافیست ارتفاع را محاسبه کنیم.

ساخت بالن - جلسه پنجم

بنابراین حجم قسمت بالایی به صورت زیر بدست می آید :

ساخت بالن - جلسه پنجم

برای هرم ناقص سمت راست، ابتدا حجم هرم کامل را حساب می کنیم و حجم قسمت بریده شده را کم می کنیم. h ها با هم برابرند بنابراین داریم که :

ساخت بالن - جلسه پنجم

حجم هرم کامل برابر است با :

ساخت بالن - جلسه پنجم

حجم هرم بریده شده برابر است با :
ساخت بالن - جلسه پنجم

بنابراین حجم هرم ناقص برابر است با :

ساخت بالن - جلسه پنجم

پس حجم کل برابر است با

ساخت بالن - جلسه پنجم

در جلسه سوم، هنگامی که بالن از زمین بلند شد، نیروی ارشمیدسی توانسته بود وزن بالن را خنثی کند بنابراین داریم که

ساخت بالن - جلسه پنجم

پس با فرض اینکه وزن بالن در حدود 50 گرم باشد ، اختلاف چگالی ها به شکل زیر بدست می آید:

ساخت بالن - جلسه پنجم

 

تکلیف1: با توجه به مطالب درس، حساب کنید که این اختلاف چگالی معادل با چه اختلاف دمایی است؟

تکلیف2: با فرض این که بالنی که ساختیم از ترکیب مخروط ناقص و قسمتی از کره، ساخته شده است، با هر گونه فرضیاتی در مورد ابعاد داده نشده، حجم آن را محاسبه کنید.

تکلیف3: با نرم افزار Ideal gas 3D کمی کار کرده و رفتارهای مختلف گاز را بررسی کنید.

نکته مهم :

به این موضوع دقت کنید که قسمت های تئوری قضیه نیز دارای ارزش بسیار است و اگر فقط هدف ساخت باشد هر کاری فقط تبدیل به کاردستی می شود . بنابراین در این مراحل سعی ما بر این است که با دانستن فیزیک بالن بتوانبد با طراحی درگیر شوید.

نکته دیگر این که، این مطالب تئوری زیاد طول نمی کشد و جلسه بعد طراحی بالن نهایی است.

 

مطالب مرتبط:

ساخت بالن - جلسه اول

ساخت بالن - جلسه دوم

ساخت بالن - جلسه سوم

ساخت بالن - جلسه چهارم

ساخت بالن - جلسه ششم

ساخت بالن - جلسه هفتم

ساخت بالن - جلسه هشتم

ساخت بالن - جلسه نهم

 

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان

تهیه: ابراهیم علیائی - تنظیم: فاطمه گودرزی

 

تلفن : 81200000
پست الکترونیک : public@tebyan.com
آدرس : بلوارکشاورز ، خیابان نادری ، نبش حجت دوست ، پلاک 12

ارتباط با ما

روابط عمومی

درباره ما

نقشه سایت

تعدادبازدیدکنندگان
افراد آنلاین