نشاط عملي يوّضح كيفية صنع الجيروسكوب البشري

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الجيروسكوب البشري الفيزياء

– الأهداف: 

1- اكتشاف تأثير الزخم الزاويّ على الأجسام في حالة الدوران.

2- الإحساس بالحركة البدارية.

3- تحويل نفسك إلى جيروسكوب بشري.

 

– الأدوات التي تحتاجها:

1- عجلة دراجة هوائية

2- سدادات من المطاط أو الفلين

 

3- كرسي دوّار سهل الحركة

4- شخص مساعد

 

– خطوات العمل:

1- أمسك عجلة الدراجة من المحور (القضبان الحديدية التي تربط العجلة بالدراجة). وإذا كانت القضبان صغيرة جداً بإمكان استخدام السدادات المطاطية أو الفلينية كي تصنع منها مقابض صغيرة للتحكم بمسكها.

 

2- اجلس على الكرسي الدوار وضع قدميك على الأرض، ثم اطلب من أحد أصدقائك أن يُدير العجلة، ولكن احذر أن تعلق أصابعك في أسياخ العجلة.

 

3- عندما تكون العجلة في وضع عمودي، أرفع قدميك، ثم قم بإماله العجلة وانظر ما سيحدث للكرسي الذي تجلس عليه.

 

هناك العديد من التجارب التي يمكنك أن تقوم بها عن طريق العجلة والكرسي. حاول إمالة العجلة باتجاهات وزوايا مختلفة. دوّن مشاهداتك في كل مرة ولاحظ إلى أي اتجاه يتحرك الكرسي. وقد يكون من السهل عليك أن تسجل نتائجك ضمن رسم بياني.

جرب أن تدوّر العجلة في الاتجاه المعاكس. هل يتحرك الكرسي في الاتجاه المعاكس أيضاً؟

جرب أن تدوّر الكرسي أولاً ثم شاهد التأثير الذي تسببه العجلة على سرعته. تستطيع من خلال التدريب أن تقلل أو تزيد من سرعة الكرسي بالطريقة التي تقوم فيها بإمالة العجلة.

 

وكي تستكشف الحركة الدورانية على نحوٍ أفضل قم بشراء جيروسكوب على شكل دمية من مخزن لبيع ألعاب الأطفال أو من متحف العلوم.

إن الاختلاف الرئيس بين عجلة دراجتك والجيروسكوب الحقيقي (بصرف النظر عن الحجم) يكمن في المحور الذي يحيط بالمركز الدوراني، حيث يساعد المحور في الجيروسكوب الحقيقي على الإمساك به بسهولة وتنفيذ تجارب يستحيل إجراؤها عن طريق عجلة الدراجة الهوائية.

اربط أحد طرفي الجيروسكوب بخيط ثم علق الخيط بحافة ثابتة، كحافة طاولة مثلاً. وتأكد من أن الجيروسكوب لا يلامس الأرض.

 

دوّر الجيروسكوب ثم اتركه وشاهد ما سيحصل. سينتصب الجيرسكوب ثم يدور بزوايا قائمة مع الخيط، كما لو أنه عمل من الأعمال السحرية، من دون الخضوع لقوة الجاذبية الأرضية.

راقب الوضع بعناية وستشاهد أمراً غريباً آخر. سيتحرك الجيروسكوب ببطء حول الخيط، والسبب هو الحركة البدارية التي تحدثها قوة الجاذبية. أمسك الجيروسكوب بحيث لا يستطيع الدوران أو الالتفاف حول نفسه، وفي تلك الأثناء، ستشعر بالقوة وهي تشدّ في الاتجاه المعاكس.

 

نصائح للسلامة: 

تحذير! يُمكن أن تسبب التجربة خطراً عليك، فعندما تكون العجلة في حالة دوران سريع يصبح من الصعب إيقافها، لذلك تجنب إيقاف العجلة بإمساك إطارها بيدك.

وعلى الرغم من أن هذه التجربة مثال جيد على توليد الطاقة الحرارية عن طريق الاحتكاك، إلا أنها تسبب حروقاً جلدية! وتجنب أيضاً وضع أًصابعك داخل أسياخ العجلة، بل وعدم الاقتراب منها. ومن أجل إيقاف العجلة، دعها تحتك بالأرض وسترى مقدار الاحتكاك الذي ستحدثه.

 

استكشاف الأخطاء وتصحيحا:

قمت بالتجربة لكن الكرسي لم يتحرك، ما الخطأ الذي حصل؟

ربما يكون كرسيك غير قابل للدوران بسهولة. باستطاعتك أن تصب قليلاً من الزيت على مَحامِل الكرسي (بعد الاستئذان)، أو أن تحاول استخدام كرسي آخر، كما يمكنك أن تطلب من أحدهم أن يقوم بدفع الكرسي كي يجعلك تدور في البداية.

إن تدوير العجلة على نحو أكبر يمكن أن يساعدك، كما يمكن أن تحصل على نتيجة أفضل لو كانت العجلة أكبر حجماً، لكن عليك أن تكون حذراً وتأكد من قدرتك على الإمساك بالعجلة بشكل مريح.

 

تحليل النشاط:  لقد استطعت من خلال هذا النشاط أن تدرس حركة الجيروسكوب (جهاز يُستخدم لحفظ توازن الطائرة أو الباخرة وتحديد الاتجاه). لقد شكل كل من الكرسي وجسمك معاً محور الجيروسكوب.

عندما قمت برفع قدميك عن الأرض وأملت عجلة الدراجة لا بدّ أنك لاحظت أن الكرسي بدأ بالدوران. هذه الحركة هي الحركة البدارية.

وعندما أخذ الجيروسكوب بالدوران بشكل جانبي أثناء محاولتك تغيير اتجاه دورانه. بدأ الكرسي يدور عندما غيرت اتجاه حركة العجلة. ولو حاولت تدوير العجلة في الاتجاه المعاكس فإنك ستلاحظ أن الكرسي قد بدأ الدوران بعكس الاتجاه أيضاً.

 

تستطيع أن تشعر بقوة الحركة البدارية إذا وقفت على الأرض وقمت بإمالة عجلة الدراجة.

جرب هذا عندما لا تكون العجلة في حالة الدوران، ثم دوّر العجلة وقم بالمحاولة نفسها. ستفاجأ بأن هناك صعوبة في إمالة العجلة بسبب الزخم الزاويّ القوي للعجلة.

إن قوة الجذب التي تشعر بها وهي تشد ذراعيك أثناء محاولتك إمالة العجلة هي نفسها التي سببت الحركة البدارية عندما كنت جالساً على الكرسي.

 

تتأثر جميع الأجسام الدوارة بالقوة نفسها التي تؤثر في الجيروسكوبات. إن الزخم الزاويّ للأرض، مثلاً، يجعل كوكبنا يحافظ على الاتجاه ذاته طوال فترة دورانه.

تدور الأرض حول خط وهمي بين القطبين الشمالي والجنوبي يُسمى محور الأرض.

ويتغير موقع الأرض في المجموعة الشمسية أثناء دورانها حول الشمس على مدى السنة كلها، غير أن محور الأرض يحافظ على اتجاهه نحو النجم نفسه الذي يُطلق عليه اسم نجم القطب.

 

وتعمل قوة الجاذبية لكل من القمر والشمس على جعل دوران الأرض حول نفسها بطيئاً جداً. وعلى مدى الآف السنين يتحرك محور الأرض بصورة دورانية بعيداً عن نجم القطب ثم يعود إليه مرة أخرى، وهذا يفسر سبب رؤية الناس في قديم الزمن النجوم في مواقع مختلفة قليلاً عما هو عليه الحال الآن.

إن مقاومة الأجسام الدوارة لمحاولات تغيير اتجاه دورانها مثال على قانون الحركة الأول، الذي ربما تتذكره في النشاط رقم (1). يفيد القانون الأول حول حركة الأجسام أن الجسم يظل في حالة استقرار أو يحافظ على حركته بخط مستقيم إلا إذا خضع لتأثير قوة ما.

وينطبق هذا القانون أيضاً على الأجسام في حالة الدوران، إذ إنها تظل تدور إلى أن تُوقفها قوة ما عند الدوران. إن جميع كواكب المجموعة الشمسية تتحرك على هذا النحو، ونظراً إلى عدم وجود أي احتكاك تقريباً في الفضاء لإبطاء دورانها، فإنها تظل محافظة على دورانها لمليارات السنين.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]