وازِن القوى في «المحمول»

المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

التوازن

القوى

الجاذبية

الرافعة

مقدمة

هل رأيت من قبل “محمولًا”؟ ليس المقصود هنا الهاتف المحمول، بل ذلك المجسم الفني المعلق. ربما كان لديك لعبة كهذه في حجرتك عندما كنت صغيرًا. تتدلى هذه المجسمات المعلقة في الهواء، وعادةً ما تكون مصنوعةً من طبقات من قضبان متوازنة معلقة، تتدلى منها أجسام هي الأخرى. عندما تنظر إلى مجسم محمول، قد تتساءل: كيف يبقى متوازنًا، حتى وإن كان يتحرك؟ في هذا النشاط ستصنع المجسم المحمول الخاص بك، وستكتشف الأمر.

معلومات عامة

المحمول عبارة عن مجسم معلق يمكنه التحرك في الهواء بـحُرية. هذه المجسمات ليست نماذج فنية فقط، بل هي أيضًا وسيلة إيضاح رائعة لمفهوم تَوازُن القوى. إذا نظرت بمزيد من الإمعان إلى مجسم محمول تقليدي فستلاحظ غالبًا أنه مصنوع من قضبان أفقية مختلفة. يتدلى من كل قضيب من تلك القضبان أجسامٌ مربوطة بخيط. عند صنع مجسم محمول، من المهم مراعاة التوازن بين الأجسام المربوطة بكل قضيب، بحيث يبقى القضيب في وضع أفقي دون أن ينجذب إلى الأسفل من أي الاتجاهين. يعمل كل قضيب بالأساس مثل أرجوحة توازُن. إذا وضعت في أحد الأطراف وزنًا أكثر، فستجذب الجاذبية القضيب من هذا الاتجاه. وللحفاظ على توازُن القضيب ستحتاج إلى قوة مضادة بالمقدار نفسه في الجانب الآخر.

ليس المهم فقط وزن الأجسام، بل أيضًا مكان تعليقها بالقضيب. ربما تلاحظ أن الأجسام ليست جميعها مربوطةً بالقضيب على نحوٍ متماثل، وهو ما يعني أنها ليست على مسافات متساوية من نقطة محور الارتكاز (أو المنتصف) بالقضيب. حتى في وجود جسمين بالكتلة نفسها يمكن أن يميل القضيب في أحد الاتجاهين في حال كان أحد الجسمين يقع من نقطة محور الارتكاز على مسافة أبعد من الجسم الآخر أو أقرب.

سيكون المجسم المحمول المتوازن في وضع السكون ما دام لم يؤثر على هيكله أي قوة إضافية. ومع ذلك، عندما يتحرك الهواء يمكنه دفع الأجسام المعلقة من المجسم، ونتيجةً لذلك ستبدأ في التحرك. تُحدِث هذه الحركة تأثيرًا تموجيًّا عبر هيكل المجسم المحمول كله؛ لأن جميع أجزائه متصلة بعضها ببعض.

ربما تدرك الآن أن صنع محمول لا يتطلب مهارات فنية فقط، بل يتطلب أيضًا بعضًا من المعرفة بالفيزياء وتوازن القوى. ستختبر جميع هذه المهارات في هذا النشاط عن طريق عمل المحمول الخاص بك. هل تظن أنك ستستطيع موازنة جميع القوى في هيكله؟

المواد المستخدمة

• ورق مقوى سميك أو مجموعة بطاقات من الكرتون. (من المستحسن أن تكون بألوان مختلفة).
• خرَّامة.
• قلم جاف.
• قلم تأشير. (ماركر).
• مقص.
• شريط لاصق.
• خيط.
• أنابيب شفَّاطة. (6 على الأقل).
• سقف أو حلق باب يمكنك أن تعلق المحمول به. (وكرسي أو شخص بالغ للمساعدة في تعليق المحمول).

التحضيرات

• ارسم على الورق المقوى عشرة أشكال مختلفة، تود تعليقها في محمولك. لا بد أن تختلف هذه الأشكال من حيث الشكل والحجم.
• قص الأشكال المختلفة بعناية باستخدام مقصك. يمكنك تزيين كلٍّ منها إذا شئت.
• اصنع ثقبًا باستخدام الخرامة في أعلى مركز كل شكل.
• اربط قطعةً من الخيط في كل شكل بتمريرها عبر الثقب الذي صنعته وربط عقدة. حاول أن تجعل طول الخيط المربوط في كل شكل مختلفًا بحيث لا تكون جميع الخيوط متساويةً في الطول.

الخطوات

• ابدأ بطبقة واحدة من المحمول الخاص بك. اربط قطعةً من الخيط بمنتصف أحد الأنابيب الشفاطة. أمسك بالأنبوب من الخيط بحيث يتدلى الأنبوب بـحُرية في الهواء. هل يتدلى الأنبوب بشكل أفقي؟ وإن لم يكن كذلك، ماذا عليك أن تفعل لكي تجعله يتدلى بشكل أفقي؟
• بمجرد أن يتزن الأنبوب اربط أول شكل لديك بأحد طرفي الأنبوب. ومن جديد، علق الأنبوب في الهواء من الخيط المربوط به. ما الذي تلاحظ أنه يحدث للأنبوب؟
• اربط شكلًا ثانيًا بالطرف الآخر من الأنبوب، ثم علق الأنبوب في الهواء مرةً أخرى. هل تَوازَن الأنبوب؟ لِـمَ؟ أو لِـمَ لا؟
• وازن الأنبوب عن طريق تحريك أحد الشكلين على طول الأنبوب. هل يمكنك أن تجد موضعًا على الأنبوب يتوازن عنده كلا الشكلين؟
• استخدم أنبوبًا ثانيًا وشكلين إضافيين لعمل تكوين متزن آخر. ما مدى سهولة أو صعوبة موازنة الشكلين على الأنبوب؟
• كرر الخطوة السابقة إلى أن تستخدم جميع الأشكال التي قصصتها.
• والآن ضع كل قطعك معًا بحيث تصنع محمولًا متعدد الطبقات. استخدم الخيوط لتربط كل الأنابيب الشفاطة التي صنعتها بعضها ببعض إلى أن يتزن المحمول. استخدم أطوالًا مختلفةً من الخيوط حتى لا تصطدم الأشكال والأنابيب بعضها ببعض. هل تستطيع أن توازِن جميع القوى في محمولك؟
• بمجرد أن تنجح في موازنة محمولك استخدم شريطًا لاصقًا أو خيطًا لتعلقه بعناية من السقف أو من حلق باب. هل يتحرك محمولك عندما يتدلى بـحُرية؟
• انفخ برفق في واحد من الأشكال المتدلية من المحمول. ماذا تلاحظ؟
• نشاط إضافي: لقد استخدمت خيوطًا كثيرة بأطوال مختلفة لصنع محمولك. اكتشف ما إذا كان طول الخيط الذي تستخدمه لتعليق الأشكال بالأنبوب مهمًّا أم لا. اجعل الخيطين بالطول نفسه ثم اجعلهما مختلفَين في الطول. هل يغير هذا من توازن الأنبوب؟
• نشاط إضافي: بدلًا من تعليق شكلين مختلفين في أنبوب واحد، علّق شكلًا في أحد طرفي الأنبوب وأنبوبًا آخر في الطرف الآخر. ثم أضف المزيد من الأشكال (أو الأنابيب) لهذا الأنبوب. هذه طريقة أخرى لإضافة المزيد من الطبقات إلى محمولك. كم طبقةً يمكنك إضافتها؟
• نشاط إضافي: حاول تجربة أنابيب بأطوال مختلفة. ما التغيرات التي ستطرأ في حال قصصت أنبوبًا أو أكثر إلى نصفين أو استخدمت أنابيب بأطوال مختلفة في كل موضع في محمولك؟
• نشاط إضافي: هل يمكنك عمل محمول باستخدام مواد أخرى، مثل مكعبات خشبية أو أي أجسام أخرى ثلاثية الأبعاد؟ أيها يعمل على نحوٍ أفضل؟ اذكر بعض الصعوبات التي تشكلها الاستعانة بالأجسام المختلفة؟

الملحوظات والنتائج

هل استطعت موازنة جميع القوى داخل محمولك؟ ربما كان الأمر أصعب مما ظننت، فمجرد موازنة أنبوب شفط مربوط بخيط يمكن أن تكون صعبة. ربما لاحظت أنك إن لم تربط الخيط بمنتصف الأنبوب تمامًا، فسينجذب الأنبوب إلى الأسفل من ناحية واحدة أكثر من الأخرى. لضمان تدلِّي الأنبوب بشكلٍ أفقيٍّ تام، لا بد أن تكون القوة التي تجذب كلا جانبيه إلى الأسفل متساويةً تمامًا (سيتحقق ذلك في حال كان الخيط في منتصف الأنبوب). عندما تعلق أحد الأشكال بالأنبوب، سيجذب وزن الشكل الأنبوب إلى الأسفل من الجانب المعلق منه.

تعليق شكل آخر في الجانب الآخر من الأنبوب على الأغلب لم يوازن الأنبوب تمامًا أيضًا. والسبب في ذلك هو أن شكل وحجم القطعتين المعلقتين على الأرجح لم يكن متماثلًا بالضبط. جذب الشكل الأثقل الأنبوب إلى أسفل أكثر من الشكل الأخف وزنًا. لعلك استطعت موازنة الأنبوب بتحريك القطعة الأثقل وزنًا نحو نقطة محور ارتكاز (أو منتصف) الأنبوب.

ربما تطلَّب تركيب المحمول كاملًا بعضًا من الصبر. احتاج المحمول على الأرجح إلى الكثير من الاختبارات والمحاولات لمعرفة كيفية موازنة الأحمال على كل أنبوب. ربما تكون قد لاحظت أن طول الخيط لم يؤثر على اتزان الأنابيب كثيرًا؛ إذ إن الخيط نفسه ليس ثقيلًا جدًّا. عندما علَّقت المحمول ونفخت في أحد الأشكال المعلقة، لا بد وأنه كان واضحًا أن المحمول يتحرك حتى مع أخف نفخة هواء. دفعت حركة الهواء الشكل، ومع أنها كانت قوةً منخفضة المقدار، بدأ المحمول بكامله في التحرك؛ لأن جميع أجزائه متصلة معًا.

التنظيف

نظِّف ما تبقى من الورق المقوى والخيط وجميع أدواتك. تستطيع تعليق المحمول في غرفتك أو منحه كهدية.