این جلسه ابتدا به توجیه فیزیکی نتایج دو آزمایش جلسه قبل می پردازیم و سپس با فیزیک پرواز کمی آشنا شده و این اطلاعات را به پرواز بومرنگ ...
عکس نویسنده
عکس نویسنده
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

بومرنگ - جلسه هشتم

اهداف:

فهم چرایی حرکت اشیاء پرنده از جمله بومرنگ از طریق آشنایی با قانون برنولی

وسایل مورد نیاز:

ذهن هایی باز و کنجکاو و آماده یادگیری!

در این جلسه ابتدا به توجیه فیزیکی نتایج دو آزمایش جلسه قبل می پردازیم و سپس با فیزیک پرواز کمی آشنا شده و این اطلاعات را به پرواز بومرنگ بسط می دهیم.

 

8-1 قانون برنولی

همان طور که احتمالاً در جستجو هایتان متوجه شدید برای درک علت دو پدیده ای که در جلسه قبل دیدیم، آزمایش شماره 1 و 2، نیازمندیم کمی دانش فیزیک خود را افزایش دهیم، که آن آشنایی با قانون برنولی است.

بومرنگ - جلسه هشتم

 در سال 1738 آقای برنولی معادله معروف شارش سیال را به نام خود ثبت کرد. اساس این معادله پایستگی انرژی است که نتیجه ای از قوانین نیوتن است. به دو شکل زیر توجه کنید:

 

بومرنگ - جلسه هشتم

در شکل بالا سیال در موقعیت اولیه خود قرار دارد. فشار P1 به سطح مقطع A1 و فشار p2 به سطح A2 وارد می شود. بعد از گذشت زمانی P1 موجب جابجایی سیال به سمت راست شده. همان طور که مشاهده می کنید حجمی از سیال که جابجا نشده در بخشی از لوله که سطح مقطع A1 دارد با بخش دیگر A2 یکسان است. بنابراین جرم یکسانی جابجا نشده.

قانون بقای کار می گوید:

w=w1 + w2 = F1 X1 _ F2 X2

که F نیرو و X میزان جابه جایی طولی سیال است که در شکل مشخص است.

(w2 هم منفی نشده چون جهت نیرو و جا به جایی آن عکس هم اند)

و با توجه به رابط فشار می دانیم: 

                                                p=F/A        =>        F1=P1 A1

                                                                 F2=P2 A2

                                                     W=P1 A1 X1 _ P2 A2 X2

 

حجم سیال جابه جا شده (V) ثابت است و عبارت است از:

                                                      V=A1 X1=  A2 X2

چون کاری انجام نشده پس تغیرات انرژی مکانیکی در سیستم سیال داریم:

                                                       W=(P1 _ P2)V

تغیرات انرژی مکانیکی بین وضعیت 1و 2 سیال به این صورت است. ( قانون پایستگی انرژی مکانیکی):

 

 

بومرنگ - جلسه هشتم

   که این V سرعت است   

بومرنگ - جلسه هشتم

و می توان از قانون کار و انرژی این گونه نتیجه گرفت:

بومرنگ - جلسه هشتم
بومرنگ - جلسه هشتم
 

از آن جایی که رابطه بالا بر هر دوحالتی برقرار است می توان نوشت:
بومرنگ - جلسه هشتم
 

که رابطه بالا به عنوان قانون برنولی شناخته می شود.

که p چگالی سیال، V سرعت سیال، h ارتفاع آن و p فشار سیال است.

 

8-2 نتیجه قانون برنولی

به رابطه بالا دقت کنید. اگر سیالی با P  ثابت در ارتفاعی مشخص باشد( p و h ثابت باشند) رابطه به صورت زیر در می آید:

بومرنگ - جلسه هشتم

(C1,C2,C3)  هرکدام یک ثابت هستند.

از رابطه بالا می توان نتیجه گرفت که:

بومرنگ - جلسه هشتم

 
یعنی فشار سیال و سرعت آن نسبت عکس با هم دارند. یعنی هرچه سرعت سیال بیشتر باشد، فشار آن کمتر می شود و برعکس.

حال می توان یک توجیه علمی برای آزمایش های جلسه قبل ارایه داد.

 

تکلیف: با توجه به نتیجه قانون بونولی آزمایش های 1و2 جلسه قبل را توجیه کنید.

 فوت کردن یا دمیدن هوا و یا باد سشوار چه اثری بر سرعت هوا دارد؟

 فکر کنید که چه پدیده های دیگری را می توان به این ترتیب توجیه کرد؟

 اگر پنجره اتوموبیلی که با سرعت حرکت می کند، را باز کنیم و سر خود را بیرون بگیریم، تنفس برایمان دشوار است. چرا؟ ( هشدار: امتحان عملی این چدیده توصیه نمی شود.)

 

8-3 پرواز هواپیما

حال که دانش لازم را به دست آوردیم، می توانیم به بررسی علت پرواز هواپیما بپردازیم. آن چه مسلم است با دانستن این

موضوع تا حد زیادی با پرواز بومرنگ هم آشنا شده ایم.

 

بومرنگ - جلسه هشتم

 

با دقت در شکل متوجه می شویم که عامل اصلی بالا ماندن هواپیما اختلاف فشار ناشی از اختلاف سرعت هوا در دو طرف بال می باشد.

بالای هواپیما چون هوا مسافت بیشتری را طی می کند پس با سرعت بالاتری حرکت می کند تا حجم هوای جابجا شده  در بالا و پایین یکسان شود.( قانون بقای انرژی) چون فشار متناسب عکس سرعت آن هم به توان 2 است، این اختلاف سرعت تأثیر به سزایی در کمتر شدن فشار هوا بر روی بال دارد.

 

نیرویی که هواپیما را بالا می برد موسوم به نیروی "برآ" است که  بومرنگ - جلسه هشتم  است و به این اختلاف فشار و به شکل بال بستگی دارد.( منظور از شکل بال زاویه ی آن است که به زاویه حمله موسوم است و برای هر سیالی مقدار بهینه آن به دست می آید.)

از رابطه قانون برنولی اختلاف فشار به دست می آید:

بومرنگ - جلسه هشتم

از بومرنگ - جلسه هشتمکه اختلاف ارتفاع است چون بال نازک است، طرف نظر می شود.   بومرنگ - جلسه هشتم

نیروی بالا برنده =   بومرنگ - جلسه هشتم

 

در انتهای این جلسه انتظار می رودقانون برنولی و عوامل تأمین کننده نیروی برآ در اجسام پرنده و ارتباط فشار هوا و سرعت آن به خوبی درک شود.

 

تکلیف1: هنگامی که توپی می چرخد و به جلو می رود سرعت بالا و پایین توپ نسبت به ناظر ساکن متفاوت است.

 

بومرنگ - جلسه هشتم

 

در واقع مطابق شکل سرعت پره های بالایی بومرنگ - جلسه هشتم و سرعت پره های پایینی  بومرنگ - جلسه هشتم می شود. هوا هم که در اطراف توپ است ساکن است. بنابراین این سرعت ها، سرعتی است که ها از توپ نسبت به خود می بیند.

از آن جایی که سرعت کمیتی نسبی است می توان توپ را ساکن دید و هوا ا با این سرعت ها در بالا و پایین توپ در نظر گرفت.

با توجه به این توضیحات حرکت کات دار توپ در فوتبال را توضیح داده و توجیه کنید. 

تکلیف2: به اندازه یک صفحه در مورد حرکت هلی کوپتر تحقیق کرده و مطلب جمع آوری کنید. دلیل وجود پره های کوچک در عقب هلی کوپتر را توجیه کنید. نتایج را برای ما ارسال نمایید

مشاهده فیلم زیر می تواند کمک خوبی باشد.

فیلم
تکلیف3: سئوالات مطرح شده در تکلیف قسمت 8-2 را پاسخ داده و برای ما ارسال نمایید.

 منابع مطالعه: کتاب فیزیک هالیدی جلد 2

 

مطالب مرتبط:

بومرنگ - جلسه اول

بومرنگ - جلسه دوم

بومرنگ - جلسه سوم

بومرنگ - جلسه چهارم

بومرنگ - جلسه پنجم

بومرنگ - جلسه ششم

بومرنگ - جلسه هفتم

بومرنگ - جلسه نهم

بومرنگ - جلسه دهم

بومرنگ - جلسه یازدهم

بومرنگ - جلسه دوازدهم

 

بخش پروژه های دانش آموزی تبیان

تهیه: اشکان بوچی - تنظیم: فاطمه گودرزی