بررسی ساختار توپ بیسبال

مقدمه:

یکی از روش های فهم بیشتر در مورد نحوه ی کار وسایل مختلف، نگاه کردن به اجزای داخلی آن، البته با گرفتن اجازه، است. این روش در مورد تمام چیزها حتی وسایل غیر مکانیکی و ساده قابل استفاده است. با در دست گرفتن یک توپ بیسبال، اولین نکته ای که متوجه آن خواهید شد سخت بودن توپ است. از ظاهر این توپ به نظر می رسد که خاصیت ارتجاعی نداشته باشد. اما با برخورد توپ به چوب بیسبال این اتفاق رخ می دهد و توپ برای لحظه ای دچار تغییر شکل می شود و سپس به شکل اولیه ی خود بازمی گردد. هر چه خاصیت ارتجاعی توپ بیشتر باشد، با زدن ضربه توپ مسافت بیشتری را طی می کند.

 

اگر تا به حال داخل یک توپ بیسبال را نگاه کرده باشید، یا عکس هایی از داخل آن را در اینترنت دیده باشید، می دانید که این توپ از لایه هایی از مواد مختلف ساخته شده است. چرا ساختار توپ بیسبال لایه لایه است؟ در سال های ابتدایی ایجاد این بازی، یعنی قبل از ۱۸۴۸، توپ های بیسبال بسیار ارتجاعی بودند و از یک هسته ی لاستیکی سخت ساخته شده بودند که تنها سه اینچ قطر داشت. با این توپ ها میزان دویدن در بازی بسیار بیشتر بود.

با تکامل بیشتر این بازی، توپ های سنگین تر با قابلیت ارتجاع کمتر ساخته شدند. این توپ ها نسبت به توپ های قدیمی سرعت کمتری داشتند و مسافت کوتاه تری را طی می کردند. قبل از تنظیم رسمی قوانین بیسبال، تیم های میزبان می توانستند نوع توپ مورد استفاده در بازی را انتخاب کنند و آنها این کار را متناسب با قدرت ها و ضعف های اعضای تیم خود انجام می دادند. پس از چند دهه تحقیق و آزمایش توسط سازندگان توپ و بازیکنان بیسبال، ترکیبی مناسب از مواد و دانسیته برای ساخت ایجاد شد تا توپ ها نه خیلی پر جنب و جوش و جهنده باشند و نه خیلی سفت و سنگین. از لحاظ علمی به میزان جهندگی توپ، ضریب ارتجاع (نسبت سرعت نسبی آن پس از برخورد به سرعت نسبی قبل از برخورد) گفته می شود.

مواد و وسایل مورد نیاز:

یک توپ بیسبال استاندارد که اجازه داشته باشید آن را برای انجام آزمایش ببرید.
 یک چاقوی تیز (همیشه هنگام کار با ابزار تیز باید یک بزرگتر همراهتان باشد. همچنین حین بریدن اجسام سخت و قابل چرخیدن مثل توپ بسیار احتیاط کنید.)

آماده سازی:

برای بریدن و باز کردن یک جسم عجله نکنید. این کار را با آرامش انجام دهید و تمام اجزا را با دقت بررسی کنید و به عملکرد و وظیفه ی هر جز خوب فکر کنید. تمام تکه هایی که از هم جدا می کنید را نگه دارید تا بررسی کنید که چگونه این تکه ها در کنار هم قرار می گیرند.

روش کار:

با دقت دوخت قرمز روی توپ را ببرید و آن را از توپ جدا کنید. به نظر شما این دوخت ها چه نقشی در عملکرد توپ دارند، چرم سفید توپ چطور؟ به نظرتان چرا این رنگ ها برای یک توپ که در زمینی با چمن سبز مورد استفاده قرار می گیرد انتخاب شده است؟

لایه ی چرمی توپ را بلند کنید. در این لایه چه می بینید؟ فکر می کنید این ریسمان ها چه عملکردی دارند و چه تأثیری بر لایه ی چرمی روی خود می گذارند؟

لایه ی ریسمانی نازک را باز کنید. لایه ی بعدی چیست؟ بسیاری از توپ های بیسبال ارزان قیمت در زیر لایه ی ریسمانی خود تنها یک قطعه ی جامد از جنس آمالگام چوب پنبه/لاستیک دارند. اما در توپ های حرفه ای و گران قیمت اینطور نیست. آیا تکه های کوچکی از نخ قرمز مشاهده می کنید؟ به نظر شما این نخ ها چه نقشی در ساختار توپ دارند؟

لایه ی نخی تیره رنگ را باز کنید. پس از آن چه مشاهده می کنید؟ لایه ی نخ چه تأثیری بر خاصیت ارتجاعی توپ دارد؟ برای درک بهتر این سوال یک توپ متشکل از یک لایه نخ بسیار سفت و محکم و یک توپ با لایه ی نخ شل و آزاد را تصور کنید. با برخورد این دو توپ به زمین چه اتفاقی می افتد؟

حال لایه ی نخ با رنگ روشن را باز کنید. پس از آن چه می بینید؟ این لایه ی آخر از نخ تیره چه مقدار از جرم و اندازه ی کلی توپ را به خود اختصاص می دهد؟

تا جایی که می توانید نخ های تیره را از هم باز کنید و پایین تر بروید. در مرکز توپ بیسبال چه چیزی مشاهده می کنید؟ این توپ را روی یک سطح صاف و محکم رها کنید. توپ چگونه رفتار می کند؟ به نظرتان اگر توپ بیسبال تنها از این قسمت لاستیکی ساخته شده باشد و هیچ کدام از این لایه های نخ در آن وجود نداشته باشد توپ چگونه رفتار خواهد کرد؟

حال توپ با پوشش لاستیکی که در مرکز قرار داشت را با دقت از وسط نصف کنید تا بتوانید داخل آن را نیز بررسی کنید. آیا هسته ی کوچکی در داخل آن مشاهده می کنید؟ به نظر شما جنس این هسته چیست؟ آیا تصور می کردید این همه اجزا در داخل یک توپ کوچک بیسبال باشند؟

آزمایش تکمیلی:

حال که با اجزای سازنده ی توپ بیسبال آشنا شده اید، سعی کنید خودتان با پیچیدن مواد در یک هسته ی مرکزی یک توپ بیسبال بسازید. از یک نوع نوار چسب پهن به عنوان پوشش توپ استفاده کنید. توپ هایی با طرح های مختلف بسازید. استفاده از چه موادی نتایج بهتری به همراه دارد؟ به منظور ساخت توپ هایی برای مصارف خاص چه موادی مناسب ترند؟

مشاهده و نتیجه گیری:

هیچ توپی به طور کامل الاستیک نیست. الاستیسیته ی یک توپ بستگی به ساختار درونی آن دارد. با تغییر میزان جهندگی توپ، شرایط بازی کاملاً عوض می شود؛ برای مثال یک توپ بسکتبال با جهندگی بسیار کم را تصور کنید. توپ های بیسبال امروزی ساختاری خاص و تعریف شده دارند. این توپ ها یک هسته از جنس چوب پنبه پوشیده شده با لاستیک دارند، که این قسمت با نخ احاطه شده است و سپس روی آن چرم قرار می گیرد.  توپ های بیسبال استاندارد محیطی بین ۲۲.۸۶ تا ۲۳.۴۹ سانتی متر و وزنی بین ۱۴۱.۷ تا ۱۴۸.۸ گرم دارند. ضریب ارتجاع این توپ ها باید کمتر از ۰.۵۷۸ و بیشتر از ۰.۵۱۴ باشد. شما با انجام این فعالیت اطلاعات جالبی در مورد این توپ های کوچک به ظاهر ساده به دست آوردید!

منبع: Inside Baseball

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان،تنظیم: نیلوفر یاقوتی