ساخت مواد سبک تر و در عین حال قوی تر برای مقاصد خاص، جلسه اول

اهداف:

• تعیین محدوده تنش ایمن یک تکه چوب بالسای 2 در 6 درحال سبک وزن کردن آن.

وسائل مورد نیاز:

- پارچ یک لیتری پلاستیک

- یک تکه نخ قوی به طول 60 سانتی متر

- خرک چوبی

- دو تکه چوب بالسا با 5 سانتی متر عرض و 30 سانتی متر طول

- تکه چوب 2 در 4 به طول 30 سانتی متر

- دو تکه تخته سه لا 30 سانتی متر در 15 سانتی متر

- پیچ چوبی

- پیچ گوشتی (یا پیچ گوشتی برقی)

- اره دستی ( یا اره برقی تحت نظارت بزرگترها)

- ترازوی چند گرمی

- ترازوی اندازه گیری کیلوگرمی

- چاقوی صنعتی

- ظرف پلاستیکی آب

- خط کش

- احتمال دارد نظارت بزرگسالان نیز مورد نیاز باشد

مقدمه

بسیاری اوقات به ماده نیاز داریم که خیلی قوی باشد چون تنش یا فشار زیادی تحمل می کند. گاهی اوقات ماده باید از مواد قوی نظیر فولاد ساخته شود ولی در عین حال لازم است که تا حد امکان سبک باشد. برخی استخوان های پرندگان قوی هستند ولی برای سبک شدن، تو خالی اند. قیدهای نگهدارنده در هواپیما اغلب برای سبک شدن دارای حفرات بزرگی هستند. ولی برای کاری که باید انجام دهند باید در عین حال به قدر کافی قوی باشند.

مهندسان طراح باید بدانند یک ماده قبل از شکستن در مقابل چه میزان نیرو مقاومت می کند و آیا می توان بدون کاهش توان حمل وزن مورد نیاز برای سبک تر شدن، حفره هایی در آن ایجاد کرد یا خیر.

با این که مهندسان ممکن است به دلیل مقاومت به یک ماده خاص نیاز داشته باشند، ولی گاه ممکن است میزان مقاومت آن ماده در برابر تنش بسیار بیشتر از مقدار مورد نیاز باشد. بنابراین می توان جرم (وزن) ماده را با ایجاد حفراتی در آن کاهش داد. در عین حال برای تضمین طراحی ایمن باید حاشیه امن در نظر گرفت. به عنوان مثال اگر لازم باشد تنش 1 کیلوگرمی به ماده ای تحمیل شود و ما آن را طوری طراحی کنیم که قبل از شکستن 3 کیلوگرم وزن را تحمل کند، یعنی ما حاشیه امن را دو سوم در نظر گرفته ایم.

فرضیه

فرضیه این است که می توان یک تکه چوب بالسا را با ایجاد حفراتی سبک وزن کرد در حالی که هنوز بیشتر مقاومت ساختاری خود را حفظ کرده باشد.

روش انجام پروژه

جعبه چوبی که نگه دارنده چوب بالسا در جای خود است، ثابت است. به همین ترتیب پارچ آب برای افزودن وزن برای ایجاد تنش در چوب بالسا، ثابت است. جرم تکه چوب بالسا متغیر است.

دو تکه چوب بالسای نازک به عرض 5 سانتی متر و طول 15 سانتی ببرید و این تکه های قید مانند را کنار بگذارید.

دو تکه الوار 4 در 2 به طول 15 سانتی متر ببرید. دو تکه تخته سه لای مستطیلی با عرض 30 سانتی متر و عمق 15 سانتی متر ببرید.

با استفاده از پیچ، یک تکه تخته سه لا را به بالای خرک چوبی ببندید. با استفاده از آن به عنوان تکه زیرین، با تکه های 4 در 2 به عنوان کناره ها و یک تکه دیگر تخته سه لا به عنوان رویه، یک جعبه مستطیلی بسازید. دو طرف جعبه را باز نگه دارید. با استفاده از چاقوی صنعتی، یک شکاف V شکل کوچک روی یک طول چوب بالسا، نزدیک به انتهای چوب ببرید.

چوب بالسا را به طور عمودی به یک انتهای منفذ جعبه تا عمق یک اینچ وارد کنید. چوب بالسا را طوری قرار دهید که انتهای شکاف دار آن خارج از جعبه و رو به بالا قرار گیرد.

دو انتهای رشته نخ قوی 60 سانتی متر را به دسته یک ظرف یک لیتری خالی ببندید تا یک حلقه ایجاد شود. با قرار دادن حلقه رشته، در شیار، ظرف پلاستیکی را از چوب بالسا آویزان کنید.

به آرامی، به ظرف آب اضافه کنید تا وقتی که چوب بالسا بشکند. آب داخل ظرف را وزن کنید و آن را ثبت کنید. (اگر وزن ظرف پر برای شکستن چوب کافی نبود، ظرف دیگری به ظرف اول ببندید و اضافه کردن آب را آغاز کنید.)

دومین تکه چوب بالسا را بردارید و چند سوراخ در آن ایجاد کنید که فواصل برابر از هم داشته باشند. هر سوراخ 5/2 سانتی متر قطر دارد.

همان آزمونی وزنی را انجام دهید. وزن مورد نیاز برای شکستن قید چوبی بالسا «پنیر تبریزی» را ثبت کنید.

مهندسان باید وزن، روابط درصدی، مقاومت و دیگر عوامل مهم مرتبط با یک ماده را بدانند. برای جمع آوری داده های تنش در مورد تکه چوب های 6 در 2 بالسا از داده های تعیین شده توسط آزمایش استفاده کنید. برگه داده های جمع آوری شده توسط شما باید شامل این اعداد و ارقام باشد:

- وزن تکه چوب بالسای بدون سوراخ (از ترازوی با دقت یک گرم استفاده کنید): ___

- وزن تکه چوب بالسای سبک شده «پنیر تبریزی»: ___

- وزن شکستن تکه چوب بالسای بدون سوراخ: ___

- وزن شکستن تکه چوب بالسای سبک شده «پنیر تبریزی»: ___

- درصد سبکی تیر سبک شده به تیر توپر (وزن تکه چوب سبک شده تقسیم بر وزن تکه چوب توپر ضرب در صد): ___

- درصد وزن شکستن تکه چوب سبک شده در مقایسه با تکه چوب توپر (وزن شکستن تکه چوب سبک شده تقسیم بر وزن شکستن تکه چوب توپر ضرب در صد): ___

- بیشترین وزنی که تکه سبک شده می تواند به طور ایمن تحمل کند، حاشیه امن دو سوم لازم است (یک سوم وزن تکه سبک شده): ___

تکلیف:

اگر ضخامت چوب بالسا دو برابر شود آیا می تواند دو برابر وزن تحمل کند؟ دو تکه چوب بالسا را با چسب به هم متصل کنید. بگذارید خشک شوند و آزمایش کنید.

نتایج آزمایش تان را بنویسید. تمام مشاهدات و داده های جمع آوری شده را ثبت کنید.

نتیجه گیری کنید که آیا فرضیه تان درست است یا خیر.

محل بازدید/ اردو/ خرید: ----------------

منابع مطالعه: -----------------

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم: نسرین صادقی