جستجو بر اساس تاريخ مطلب
 مطالب پیشنهادی
  آزمایش فشار هوا
آزمایش فشار هوامشاهده‌ي علمي
مفاهیم کلیدی: فیزیک، فشار هوا، حجم، نیرو
مشاهده علمی ۲۱۲
 
 
مقدمه:
همه‌ی ما با مفهوم فشار آشنا هستیم. این کلمه در زندگی روزمره می‌تواند معانی متفاوتی داشته باشد، اما هنگامی که دانشمندان از فشار صحبت می‌کنند، منظور آنها یک نیروی فیزیکی ثابت (مانند فشار یا کشش) اعمال شده بر یک جسم است. به عنوان مثال، اگر روی یک بادکنک باد شده بنشینید، می‌توانید تاثیر فشار را بر روی آن ببینید، البته قبل از اینکه بترکد!
 
 
 
 
در این فعالیت علمی از مفهوم فشار به شکلی غیر قابل پیش‌بینی استفاده خواهیم کرد. آیا می‌توانید هوای داخل یک بادکنک را بدون گره زدن سر آن داخل بادکنک نگه دارید؟ آیا می‌توانید آب داخل یک بطری سوراخ را داخل آن حفظ کنید؟ ممکن است بتوانید با مقدار کافی فشار هر دو را انجام دهید!
 
 
پیش‌زمینه:
آیا تا به حال با انگشت خود بالای یک نی را بسته‌اید؟ در این صورت متوجه شده‌اید که با این کار مقداری از مایع داخل نی باقی می‌ماند، حتی اگر نی را از درون مایع خارج کنید. این یکی از خواص شگفت‌انگیز فشار هواست!
 
 
 
 
اگر چه ما قادر به دیدن مولکول‌های هوا نیستیم، می‌دانیم که این مولکول‌ها در اطراف ما وجود دارند. اگر در فاصله‌ای نزدیک به صورت خود دستانتان را به هم بزنید، مولکول‌های هوا را روی صورت خود احساس خواهید کرد. این مولکول‌ها علیرغم نامرئی بودن از نظر ما، به تمام اجسام محیط از جمله ما نیرو یا فشار وارد می‌کنند. یک کاغذ را مقابل خود نگه دارید و آن را به سرعت به بالا و پایین حرکت دهید. آیا متوجه مقاومت یا نیروی هوای مقابله کننده با کاغذ می‌شوید؟ حال جهت کاغذ را عوض کنید و آن را به بالا و پایین حرکت دهید. چه تفاوتی در فشار هوای وارد شده به کاغذ احساس می‌کنید؟
 
 
 
 
 
نیروی مولکول‌های هوا در این فعالیت بسیار مهم است. این مولکول‌ها تاثیرات جالبی بر هوا و آب داخل بطری دارند. با انجام فعالیت زیر با این موضوع بیشتر آشنا خواهید شد.
 
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک بطری آب پلاستیکی کوچک
 یک پونز یا میخ
 قیچی
 دو بادکنک
 متر اندازه‌گیری (می‌توانید از خط کش نیز استفاده کنید.)
 سینک ظرفشویی
 یک بزرگتر که در انجام فعالیت به شما کمک کند. (در این فعالیت همکاری دو نفر لازم است. همچنین قرار است از وسایل تیز استفاده کنید.)
 
آماده‌سازی:
 از بزرگتر خود بخواهید با استفاده از پونز یا میخ یک سوراخ در کف بطری آب ایجاد کند. سپس از وی بخواهید با استفاده از قیچی این سوراخ را بزرگتر کند، به طوری که ابعاد آن کمی کوچکتر از محیط یک مداد باشد.
 
روش کار:
با انگشت سوراخ کف بطری را بپوشانید. در همین حالت بطری را در سینک آشپزخانه ببرید و از شیر تا حدی در آن آب بریزید که حدود ۲ اینچ فضای خالی در بالای بطری باقی بماند. در تمام مدت کار انگشت خود را روی سوراخ نگه دارید تا آب از بطری خارج نشود.
 
 از دستیار خود بخواهید بادکنک را باد کند تا قطر آن تقریبا ۷ اینچ شود. برای اندازه‌گیری قطر بادکنک از متر یا خط کش استفاده کنید.
 
 حال از دستیار خود بخواهید انتهای بادکنک را در حدود یک اینچ بالاتر با انگشتانش بسته نگه دارد. سپس از او بخواهید با استفاده از دست دیگر دهانه‌ی بادکنک را روی در بطری قرار دهد. این کار کمی دشوار است، در انجام آن دقت و آرامش داشته باشید.
 
 
 
 
 پس از قرار گرفتن بادکنک روی بطری، دستیارتان می‌تواند دست خود را از دهانه‌ی بادکنک بردارد. قطر بادکنک را با خط کش اندازه بگیرید. دقت داشته باشید که انگشتتان را در این حین از روی سوراخ بطری برندارید. بادکنک دچار تغییر شده است؟ آیا پس از اینکه دستیارتان دهانه‌ی بادکنک را رها کرد، هوای داخل آن خارج شد؟ در حالت عادی اگر دستتان را از دهانه‌ی گره نخورده‌ی بادکنک بردارید چه اتفاقی می‌افتد؟ به نظر شما دلیل اتفاقی که اکنون می‌افتد چیست؟
 
(نکته: اگر در این مرحله ابعاد بادکنک کوچکتر می‌شود به این معناست که بادکنک سوراخ شده است. برای ادامه‌ی فعالیت باید این سوراخ‌ها را ببندید.)
 
 از دستیار خود بخواهید متر یا خط کش را پشت پهن‌ترین قسمت بادکنک نگه دارد تا بتوانید قطر آن را اندازه بگیرید. برای انجام مرحله‌ی بعد متر یا خط کش را در همان وضعیت نگه دارید.
 
 در حالی که بطری را در سینک آشپزخانه نگه داشته‌اید، انگشت خود را از روی سوراخ بردارید تا آب از آن خارج شود. به بادکنک دقت کنید. در زمانی که حدودا سه چهارم آب بطری خارج شد، انگشت خود را مجددا روی سوراخ قرار دهید.
 
 از دستیار خود بخواهید قطر بادکنک را اندازه بگیرد. قطر آن چه تغییری کرده است؟ اگر ابعاد بادکنک ثابت مانده است، به نظرتان چرا هوا از آن خارج نمی‌شود؟
 
 ۳۰ ثانیه صبر کنید و بار دیگر قطر بادکنک را اندازه بگیرید. قطر آن تغییر کرده است یا خیر؟ دلیل چیست؟
 
 انگشت خود را از روی سوراخ بطری بردارید تا آب داخل آن به طور کامل خارج شود. با خالی شدن آب بطری، آیا سرعت جریان آب خارج شونده از بطری تغییر می‌کند؟ آیا ابعاد بادکنک در این حین عوض می‌شود؟ آیا متوجه نشانه‌های دیگری هم می‌شوید، مثلا صدایی خاص که توسط بادکنک تولید شود؟
 
 پس از خالی شدن بطری، قطر بادکنک را اندازه بگیرید. بادکنک بزرگتر شده است یا کوچکتر؟ دلیل آن چیست؟
 
 از دستیار خود بخواهید بادکنک را از روی در بطری بردارد و آماده‌ی انجام دوباره‌ی آزمایش، اما این بار بدون باد کردن بادکنک شوید.
 
 انگشت خود را روی سوراخ کف بطری نگه دارید، و در سینک آشپزخانه تا حدی در آن آب بریزید که حدود ۲ اینچ فضای خالی در بالای بطری باقی بماند. انگشت خود را روی سوراخ نگه دارید تا آب از بطری خارج نشود.
 
 از دستیار خود بخواهید بادکنک را روی در بطری قرار دهد. به ظاهر بادکنک دقت کنید، آیا هوا داخل آن هست؟
 
 در حالی که بطری را در سینک ظرفشویی نگه داشته‌اید، انگشت خود را از روی سوراخ کف بطری بردارید تا آب از آن خارج شود. این بار به بادکنک و جریان آب خروجی دقت کنید. زمانی که آب داخل بطری به نصف رسید، انگشت خود را مجددا روی سوراخ کف آن قرار دهید. چه تغییری در ظاهر بادکنک مشاهده می‌کنید؟ آب خروجی از بطری نسبت به حالت قبل چه سرعتی دارد؟ 
 
 مجددا انگشت خود را از روی سوراخ بطری بردارید تا آب از آن خارج شود. در این حین سرعت خروج آب چه تغییری می‌کند؟ آیا آب تا خالی شدن بطری به بیرون جریان پیدا می‌کند؟ دلیل تغییراتی که این بار نسبت به حالت قبل مشاهده می‌کنید چیست؟
 
آزمایش‌های تکمیلی:
بادکنک را در ابعاد مختلف از کوچک تا بزرگ باد کنید. آیا تغییر در ابعاد بادکنک تاثیری بر نتایج به دست آمده دارد؟ دلیل آن چیست؟ 
 
 از دستیار خود بخواهید سوراخی نزدیکتر به در بطری ایجاد کند. این کار چه تاثیری در نتیجه‌ی آزمایش دارد؟
 
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در طول آزمایش اول، در حالی که با انگشت سوراخ کف بطری را پوشانده‌اید، باید مشاهده کنید که ابعاد بادکنک ثابت باقی می‌ماند. این نتیجه کمی غیر قابل انتظار است، زیرا معمولا اگر انتهای یک بادکنک را بدون گره زدن رها کنید، هوای داخل آن به سرعت خارج می‌شود. در این حالت چه چیزی هوا را داخل بادکنک نگه می‌دارد؟ پاسخ هوا (و آب) است. بیشتر فضای داخل بطری توسط آب و مقدار کمی از آن نیز توسط هوا در بالای بطری اشغال شده است. ممکن است فضای کمی در بالای بطری برای هوای بیشتر وجود داشته باشد. در نتیجه ممکن است بادکنک در همان ابتدای کار کمی کوچک شود. اما پس از آن ابعاد بادکنک ثابت باقی می‌ماند. هوای داخل بادکنک نمی‌تواند به جایی برود زیرا فضای داخل بطری کاملا پر است.
 
هنگامی که انگشت خود را از روی سوراخ بطری برمی‌دارید و آب از آن خارج می‌شود، اتفاق متفاوتی رخ می‌دهد. در این حالت باد بادکنک کم می‌شود، دلیل این اتفاق چیست؟ با خروج آب از بطری فضای خالی برای هوای داخل بادکنک به منظور ورود به بطری ایجاد می‌شود. با خروج آب از بطری، هوای داخل بادکنک به آرامی وارد بطری می‌شود. اگر در این حین مجددا انگشت خود را روی سوراخ کف بطری بگذارید، فرآیند کوچک شدن بادکنک متوقف می‌شود زیرا هوای داخل فضایی برای رفتن به آن ندارد. 
 
 
 
در بخش دوم فعالیت، احتمالا متوجه شده‌اید که با خروج آب از بطری ظاهر بادکنک تغییر می‌کند. در این حالت بادکنک به حالت چروکیده درمی‌آید و هوای داخل آن به بطری منتقل می‌شود. دلیل این اتفاق مشابه با دلیل رویداد قبل است. با خارج شدن آب بطری، فضا برای ورود هوای بادکنک ایجاد می‌شود. اگر چه مقدار هوای منتقل شده در این مرحله بسیار کم است، اما تاثیر خود را بر ابعاد بادکنک می‌گذارد. علاوه بر این، در بخش دوم فعالیت، احتمالا متوجه تغییر بزرگی در جریان آب خروجی از بطری شده‌اید. جریان آب خروجی در مرحله‌ای متوقف می‌شود (یا سرعت آن کاهش می‌یابد)، در حالی که هنوز داخل بطری آب هست! چگونه چنین چیزی ممکن است؟ موضوع مربوط به فشار هواست. به دلیل خالی بودن بادکنک، هیچ هوایی از سمت بالا قصد ورود به بطری را ندارد. در واقع بادکنک اجازه نمی‌دهد هیچ هوایی از بالا وارد بطری شود، البته این بدان معنا نیست که هوای داخل بطری فشاری به آب داخل آن وارد نمی‌کند. مولکول‌های هوای بیرون از بطری از همه طرف از جمله از سمت سوراخ کف به آن فشار وارد می‌کنند. 
 
 
 
در حالت عادی اگر بادکنک در بالای بطری نباشد، آب از آن خارج می‌شود، زیرا فشار هوای ورودی از بالای بطری همراه با نیروی جاذبه‌ی وارد شده بر آب، بیشتر از نیروی وارد شده از طرف مولکول‌های هوا به سمت بالا در کف بطری است. در حالتی که بادکنک در بالای بطری قرار می‌گیرد، مولکول‌های هوای بالای بطری نمی‌توانند فشاری وارد کنند زیرا بادکنک جلوی آنها را می‌گیرد. در نتیجه، تنها نیروهای وارد بر آب جاذبه و فشار به سمت بالای مولکول‌های هواست. در این حالت، نیروی وارد شده از سمت هوای خارج از سوراخ بطری به حدی قوی است که بتواند از خارج شدن آب از کف بطری جلوگیری کند.
 

منبع:
 
 
منابع مفید:
 
 
 
1395/7/28لينک مستقيم

نظر شما پس از تاييد در سايت قرار داده خواهد شد
نام :
پست الکترونيکي :
صفحه شخصي :
نظر:
تاییدانصراف
 محتواي زنده مشاهده علمي

 فعاليت هاي علمي
 تماس با ما
 بازديدها
كاربران غيرعضو آنلاينكاربران غيرعضو آنلاين:  724
 كاربران عضو آنلاين:  0
  کل كاربران آنلاين:  724