نوشیدن با ابر نی

مقدمه:

آیا تا به حال به طرح نی های آشامیدنی دقت کرده اید؟ برخی از آنها مارپیچی و برخی صاف هستند. این نی ها در طرح ها و رنگ های مختلف فانتزی و در ضخامت های متفاوت وجود دارند. اما تمام این نی ها تقریباً هم اندازه هستند و از فاصله ای خاص می توانید با آنها نوشیدنی خود را بنوشید. به نظرتان آیا ممکن است یک نی بسیار بلند داشته باشید که بتوانید با آن از فاصله ای دور نوشیدنی خود را بنوشید؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا امکان ساخت یک نی بسیار بلند را بررسی کنید.

پیش زمینه:

نوشیدن یک مایع با نی به نظر کاری ساده است. اما شما در واقع از طریق ایجاد تغییرات در فشار هوا این کار را انجام می دهید. هنگامی که فشار هوای داخل دهان خود را کاهش می دهید، فشار جو مایع را در نی به سمت بالا می کشد و شما می توانید نوشیدنی را بنوشید.

آیا این قضیه به نظرتان عجیب است؟ بهتر است کمی در مورد آن توضیح دهیم: جو لایه ای عظیم از هواست. جرم این لایه ی هوا به طور مداوم بر ما و هر آنچه که در اطرافمان است فشار وارد می کند. این فشار نامرئی در سطح دریا حدود ۱۴.۷ پوند بر اینچ مربع است. این فشار برابر است با فشار قرار گرفتن یک توپ بولینگ در هر اینچ مربع یا پنج توپ بولینگ که بر آب داخل یک لیوان با قطر دو و نیم اینچ فشار وارد می کنند. اگر یک نی را در مایع قرار دهید، مایع وارد نی می شود و تا جایی بالا می آید که هم سطح با مایع خارج از نی شود. مایع داخل و اطراف نی تحت فشار هوای بالای خود قرار می گیرند و به همین دلیل ارتفاعشان یکسان است.
 
اما اگر هوای داخل نی را کم کنید قضیه جالب می شود. با این کار فشار هوای داخل نی کاهش می یابد و مایع در نی بالا می رود. هر چه هوای بیشتری از نی خارج کنید ارتفاع مایع داخل نی بیشتر می شود.
 
به نظرتان آیا محدودیتی برای بالا آمدن ارتفاع مایع در نی وجود دارد؟ در این فعالیت علمی یک نی بسیار بلند می سازید و عملکرد آن را آزمایش خواهید کرد.

مواد و وسایل مورد نیاز:

یک بسته نی پلاستیکی (حداقل دارای ۱۰ عدد نی). بهتر است این نی ها قابل خم شدن باشند.
 قیچی
 خط کش
 نوار چسب
 لیوان حاوی آب
 یک سطح کار که قابلیت خیس شدن را داشته باشد. (اگر چنین سطحی در اختیار ندارید، روی یک سطح چیزی مانند حوله پهن کنید تا از خیس شدن آن جلوگیری شود.)
 یک صندلی یا میز مناسب برای ایستادن روی آن

آماده سازی:

از یک بزرگتر بخواهید به شما کمک کند در انتهای یکی از نی های پلاستیکی دو شکاف نیم اینچی در جهت طولی در دو سمت مقابل هم ایجاد کنید. این شکاف ها به شما کمک خواهند کرد انتهای یک نی را روی سر یک نی دیگر بیندازید

ده عدد نی را به همین ترتیب آماده کنید تا تعداد کافی نی برای ساخت یک نی بسیار بلند داشته باشید. اگر در مراحل بعدی به تعداد نی های بیشتری نیاز پیدا کنید می توانید به همین ترتیب چند نی اضافه آماده کنید.)

روش کار:

انتهای آماده ی یک نی را در سر بدون شکاف نی دیگر فرو ببرید.
محل همپوشانی دو نی را با نوار چسب محکم کنید تا نی ها از هم جدا نشوند. در چسب زدن بسیار دقت کنید زیرا چسب زدن خوب از بروز مشکلات بعدی در کار جلوگیری می کند. به نظر شما داشتن چسب های محکم در اتصالات چه تأثیری در عملکرد نی دارد؟ (راهنمایی: هنگام نوشیدن با نی باید هوا را از داخل آن بیرون بکشید.)

برای آزمایش نی دوتایی که ساخته اید یک لیوان آب روی زمین بگذارید. (حتماً لیوان را در جایی بگذارید که بتواند خیس شود. در غیر این صورت پارچه یا حوله ای زیر لیوان پهن کنید.) حال نی را به صورت عمودی یا نزدیک به حالت عمودی نگه دارید و سعی کنید با آن آب بنوشید. آیا آب به دهانتان می رسد؟

 اگر مقدار آبی که در نی بالا می آید بسیار کم است، محل اتصال دو نی را بررسی کنید. آیا راهی برای رد شدن هوا در آن وجود دارد؟ سعی کنید چسب را بهتر در این ناحیه بزنید تا راه هوا بسته شود. اگر وضعیت محل اتصال مناسب است، در نواحی دیگر دو نی به دنبال سوراخ احتمالی بگردید. در صورت وجود سوراخ آن را با نوار چسب بپوشانید تا راه هوا بسته شود.

حال با نی خود چند بررسی انجام دهید. ابتدا هوا را با سرعت کم و سپس با سرعت زیاد بالا بکشید و نحوه ی افزایش ارتفاع آب در نی را بررسی کنید. اگر هوای بیشتری را از نی خارج کنید چه رخ می دهد و چرا؟

اکنون زمان افزایش طول نی فرا رسیده است. به همان روش قبل یک نی آماده ی دیگر دارای شکاف را به نی بزرگ خود متصل کنید. دقت داشته باشید که در هنگام انجام آزمایش نی باید به صورت عمودی در لیوان قرار بگیرد. عملکرد نی جدید چگونه است؟ آیا نوشیدن آب با آن دشوارتر است؟

هر بار یک نی به سازه ی خود اضافه کنید و عملکرد آن را بررسی کنید. ممکن است در مراحل انتهایی برای تست نی لازم باشد روی صندلی یا میز بایستید. آیا با افزایش ارتفاع شما از لیوان (بلندتر شدن نی) نوشیدن آب دشوارتر می شود؟

پس از اضافه کردن چند نی به سازه و هنگامی که نوشیدن آب با نی بلند سخت شد، اضافه کردن نی ها را متوقف کنید و اکنون نوشیدن آب را در حالاتی که نی با زاویه های مختلف قرار می گیرد امتحان کنید. نی را در حالت عمودی، زاویه ای میان افقی و عمودی (حدود ۴۵ درجه) و همچنین در زاویه ای بسیار نزدیک به صفر (افقی) آزمایش کنید. توجه داشته باشید که برای آزمایش نی در حالت نزدیک به افقی لازم است آب بیشتری در لیوان بریزید. آیا تفاوتی در سختی نوشیدن آب از لیوان در این زوایا وجود دارد؟ در این صورت زاویه ها را از شماره ی یک تا سه به ترتیب سخت ترین تا آسان ترین حالت مرتب کنید. دقت کنید که در این حالات فاصله ی لیوان با سر نی تغییری نکرده است و تنها زاویه متفاوت بوده است.

چند لحظه صبر کنید و به این فکر کنید که با تغییر زاویه ی نی ارتفاع لیوان تا دهانتان چه تغییری می کند. این چند حالت را از شماره ی یک تا سه به ترتیب بیشترین ارتفاع تا کمترین ارتفاع مرتب کنید. آیا رابطه ای میان ارتفاع و سختی نوشیدن آب مشاهده می کنید؟
 
اگر نی هایتان دارای قابلیت خم شدن هستند، بررسی کنید که اگر ارتفاع نی و سر شما مانند قبل باشد اما نحوه ی تا خوردگی در مسیر نی را عوض کنید چه اتفاقی می افتد. برای این کار عملکرد یک نی صاف را با یک نی با چند خمیدگی مقایسه کنید. اکنون با ثابت ماندن ارتفاع، تغییر صافی نی چه تأثیری بر دشواری کار می گذارد؟
 
به طور کلی چند نی را می توان به هم متصل کرد تا همچنان امکان نوشیدن آب با آن در حالت عمودی وجود داشته باشد؟ به نظرتان محدودیتی برای تعداد نی ها وجود دارد یا می توانید تا هر جا که تمایل داشته باشید اضافه کردن نی ها را ادامه دهید؟

آزمایش تکمیلی:

این فعالیت را با استفاده از انواع نی های پهن یا بسیار باریک انجام دهید. آیا نوع نی در عملکرد سازه ی بلندتان تأثیر دارد؟

مشاهده و نتیجه گیری:

نگامی که هوای داخل نی را با دهانتان خارج می کنید، هوای کمتری به آب داخل نی در مقایسه با آب خارج از نی فشار وارد می کند. این عدم تعادل در فشار باعث می شود آب بیشتری وارد نی شود. ارتفاع آب تا جایی بالا می آید که فشار وارد بر آب داخل نی برابر با اختلاف فشار شود.
هر چه هوای بیشتری را با دهانتان از نی خارج کنید، اختلاف فشار هوا بیشتر می شود و سطح آب داخل نی بالاتر می آید. هنگامی که آب به سر نی می رسد می توانید آن را بنوشید.

قدرت ریه های شما تعیین کننده ی میزان هوایی است که می توانید از نی خارج کنید. برای برخی افراد نوشیدن آب با یک نی سه فوتی دشوار است، در حالیکه برخی می توانند با یک نی هشت فوتی به راحتی آب را بنوشند!
 
توجه داشته باشید که عمدتاً تفاوت ارتفاع مانع اصلی در نوشیدن مایع است و نه طول نی یا در واقع مسیری که آب باید در نی طی کند. اگر نی را در حالت نزدیک به افقی نگه دارید می توانید با یک نی بسیار دراز نیز به راحتی آب بنوشید.

منبع:  A really long straw

بخش پؤوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم: نیلوفر یاقوتی