نجات تخم مرغ - جلسه اول

عنوان پروژه: نجات تخم مرغ
زمینه: فیزیک و مهندسی
مقطع تحصیلی: دبیرستان
تعداد جلسات: 3

خلاصه پروژه: در این پروژه ابتدا با قوانین مسابقه نجات تخم مرغ و هم چنین اصول فیزیکی آن یعنی سقوط آزاد و جاذبه گرانش آشنا شده و سپس به ساخت وسایلی مثل چتر نجات، ایرفویل و نوعی ملخ برای غلبه بر این نیرو می پردازیم.

عنوان:
اصول مسابقات نجات تخم مرغ
اهداف جلسه:
· آشنایی با طراحی و مهندسی در ساخت
· آشنایی با اصول فیزیکی نجات تخم مرغ: سقوط آزاد
· طراحی چتر نجات ساده

وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· نی
· چپ دوطرفه
· پلاستیک
· قیچی
· سنگ ریزه

مقدمه:
جامعه نیاز به مشاغل مختلف در تمام سطوح و موقعیت ها دارد و از کلیدی ترین و مفیدترین این وظیفه ها، مهندسی است. پس ضرورت دارد تا تعدادی از دانش آموزان ما در آینده در این پست مهم ایفای نقش نمایند. یکی از مهیج ترین راه ها برای ترغیب شاگردان برگزاری مسابقه هایی با زمینه مهندسی است. مسابقه نجات تخم مرغ یکی از کاربردی ترین و جالب ترین این مسابقات است که هزینه مالی زیادی ندارد ولی شور و هیجانی که در بین شاگردان ایجاد می کند غیر قابل ارزش گذاری است.
 هدف مسابقه نجات تخم مرغ بسیار روشن است، شما باید سازه یی درست کنید که بتواند تخم مرغ خام را در سقوط از ارتفاع نجات دهد. وسایل درست کردن سازه بسیار ساده و ارزان می باشد. شاگردان می توانند در گروه های ۳ و یا ۴ نفره در این مسابقات شرکت کنند.

تشریح مراحل:
مواد مجاز گفته شده در بخش قوانین در اختیار هر تیم قرار می گیرد تا هر کدام مطابق خلاقیت و ابتکار خویش سازه یی درست کنند که بتوان در آن یک تخم مرغ خام را قرار داد. سپس سازه ها از ارتفاع سه متری به زمین انداخته می شوند. سازه یی که بتواند از سقوط نجات پیدا کند و وزن کمتری داشته باشد، برنده مسابقه می باشد.
تیم ها باید در نظر داشته باشند که خلاقیت در ساخت سازه و نوع طراحی نیز توسط هیئت داوران مورد ارزیابی قرار می گیرد.

قوانین مسابقه نجات تخم مرغ
مواد ذیل در اختیار هر گروه قرار می گیرد:
1. کاتر
2. نخ
3. رابر چسب
5. نی
6. کاغذ
7. مقوا
8. قیچی
9. ابر اسفنجی
10. لیوان یکبار مصرف

طبق وقت تعیین شده هر گروه باید سازه خود را بسازند و تسلیم هیئت داوران کنند. از بین تیم هایی که بتوانند تخم مرغ را سالم به زمین برسانند، تیمی برنده است که وزن سازه اش کمتر باشد و خلاقیت بیشتری در طراحی سازه داشته باشد.                                        
مسابقات نجات تخم مرغ یا چالش جاذبه (Gravity Challenge) اولین بار توسط NASA به منظور ساخت سازه ها و اجسامی كه انسان را در ارسال و پرتاب كاوش گر ها به سیاره های دیگر یاری كند ، اجرا شد، چرا كه كاوشگرها باید در درون سازه هایی قرارگیرند كه پس از برخورد با سیاره ها و اجرام آسمانی، بتوانند ضمن كاستن سرعت، به سادگی و با حفظ دستگاه های درون خود ، با كم ترین خسارت بر سطح سیاره مورد نظر نشسته و به كاوش و بررسی بپردازند و اطلاعات كسب شده را به زمین ارسال كنند. برای شرکت در این مسابقات می بایست سازه های خاصی ساخته شود و تخم مرغ به گونه ای در آن جاسازی شود که با سقوط سازه از ارتفاعی مشخص، تخم مرغ کم ترین آسیب را ببیند. ابتکار و خلاقیت در ارائه ی ایده ای نو برای محافظت تخم مرغ و هم چنین داشتن طرح فنی و مهندسی ، به سالم ماندن تخم مرغ کمک می کند.
هدف اصلی از طراحی این مسابقات در دنیا نیز کسب ایده هایی برای طراحی و ساخت سازه ها و مکانیزم هایی است که بتواند انسان را در ارسال و پرتاب کاوشگرها به سیاره های دیگر و همچنین به حداقل رساندن آسیب های وارد بر این کاوشگرها یاری کند. چرا که کاوشگرها باید درون سازه هایی قرار گیرند که پس از برخورد با سیاره ها و اجرام آسمانی بتوانند ضمن کاستن سرعت، به سادگی و با حفظ دستگاه های درون خود با کم ترین خسارت بر سطح سیاره مورد نظر نشسته و به کاوش و بررسی بپردازند و اطلاعات کسب شده را به زمین ارسال کنند. هم چنین ارائه‌ ایده هایی برای کاهش آسیب به بسته هایی که از طریق هواپیما برای کمک رسانی به مناطق مختلف فرستاده می شود.

دید کلی
هنگامی که جسمی از ارتفاعی رها شود، شتاب می‌گیرد و سرعتش از مقدار صفر افزایش می یابد. جالب توجه است که در خلا ، تمامی اجسام از قبیل سنگ، پر، قطرات باران و ذرات گرد و غبار بطور یکنواخت شتاب می‌گیرند و باهم به زمین می‌رسند. این قاعده صرفا به دلیل مقاومت هوا در مقابل سقوط اجسام، که اثر آن بر «پر» مؤثرتر از اثر آن بر سنگ است، در زندگی روزمره که در محیط خلأ صورت نمی‌گیرد، صادق نیست.

شتاب حرکت سقوط آزاد
شتاب سقوط آزاد اجسام در خلا به طبیعت جسم بستگی ندارد. بلکه فقط به محل جسم بستگی دارد. این شتاب ثابت است و مقدار آن با شتاب گرانشی که با علامت g نشان داده می‌شود، برابر است که آن هم تحت عنوان شتاب ثقلی مطرح است و مقدار آن بر روی زمین برابر 9.8m/s2 می‌باشد.

سقوط آزاد چیست؟
برای اینکه سنگی آزادانه سقوط کند، لازم نیست که شما آنرا در امتداد قائم رها کنید. می توانید سنگ را به طرف بالا ، پایین یا به اطراف پرتاب کنید. به محض اینکه سنگ در هر جهتی اختیاری از دست شما رها شود، سقوط آزاد خواهد کرد. اگر سنگی را در امتداد قائم به طرف بالا با سرعت 25m/s  پرتاب کنید، چون شتاب به سمت پایین و در خلاف جهت سرعت است، سنگ بایستی در نقطه اوج حرکتش متوقف شده و برگردد. چون در حالت پایین آمدن شتاب در جهت حرکت است، سنگ سرعت می‌گیرد. اگر جسم در حال سکون ، خیلی سبک و یا سطح آن تخت باشد و یا اینکه از فاصله خیلی دور سقوط کرده باشد، مقاومت هوا قابل توجه می‌شود و شتاب جاذبه زمین در چنین حالتی متغیر می‌باشد.

سقوط آزاد به حرکت اجسامی گفته می شود که فقط در اثر نیروی گرانش حرکت می کنند. به منظور بررسی حرکت سقوط آزاد باید سعی کنیم غیر از نیروی گرانش زمین تمام نیروهای موثر بر جسم در حال سقوط را حذف کنیم. در ضمن آزمایش های متفاوت به راحتی می توان اثر متفاوت هوا را در سقوط اجسام را مشاهده کرد. تکه کاغذی را هم زمان با یک گلوله رها کنید، می بینید که گلوله زودتر از کاغذ به زمین می رسد. علت دیرتر رسیدن کاغذ به سطح زمین اثر مقاومت هوا بر روی کاغذ است. اگر کاغذ را مچاله کنیم در مدت کمتری به زمین خواهد رسید.در اینجا اثر مقاومت هوا بر کاغذ کمتر شده است.
اگر در چنین آزمایش هایی به این نتیجه غلط برسیم که اجسام با جرم بیشتر سریع تر به زمین می رسند خطای بزرگی را در قانون طبیعت مرتکب شده ایم، و فکر ارسطویی در سر داریم. تا قبل از گالیله فکر ارسطو حاکم بود.ارسطو ادعا می کردکه اجسام سنگین به تناسب سنگینی که دارند سریع ترسقوط می کنند، گالیله اولین دانشمندی بود که ادعا می کرد که اجسام بدون توجه به جرم شان با هم سقوط می کنند.
گالیله برای اثبات نظرش آزمایش هایی را انجام داد، او اشیاء متفاوتی را از برج کج و معروف پیزا رها کرد و مدت سقوط آن ها را اندازه گرفت.
گالیله نشان داد که سقوط آزاد، حرکتی با شتاب ثابت است، وی گفت برای اثبات این ادعا کافی است نشان دهیم که فاصله های طی شده با مجذور مدت سقوط متناسب است. گالیله دستگاهی که بتواند مدت زمان های کوچک و بسیار کوچک را با دقت کافی اندازه بگیرد در اختیار نداشت، لذا به انجام آزمایش های بر روی سطح شیب دار متوسل شد، امروز ضمن استفاده از زمان سنج های دقیق گلوله ای را از ارتفاع های معین رها می کنند، با رها شدن گلوله زمان سنج، گذشت زمان را اندازه می گیرد و به محض رسیدن گلوله به سطح مورد نظر زمان سنج متوقف می شود. به این ترتیب مدت سقوط برای ارتفاع معلوم به دست می آید.

نتایج حاصل از این آزمایش ها به شرح زیر است:
الف- سقوط آزاد یک حرکت با شتاب ثابت است.
ب- سقوط آزاد تمام اجسام با شتاب ثابتی انجام می شود.
پ- شتاب سقوط آزاد در نقاط مختلف کره زمین کمی متفاوت است. و این اختلاف از 6/0درصد تجاوز نمی کند.

متداول ترین حرکت با شتاب ثابت حرکت جسمی است که آزادانه سقوط می کند.
اگر مکان یک گلوله در حال سقوط را در لحظه های متفاوت پس از طی مدت های یکسان ثبت کنیم، متوجه می شویم که، گلوله در مدت های یکسان فاصله های متفاوتی را طی کرده است، یعنی اینکه سرعت گلوله در مدت سقوط مرتباً افزایش می یابد. بدیهی است که در لحظه سقوط سرعت گلوله صفر است.
سرعت گلوله را می وان به صورت تابعی از زمان اندازه گیری کرد. با اندازه گیری سرعت گلوله در زمان های متفاوت مشخص می شود که سرعت گلوله در هر ثانیه به اندازه 8 / 9 متر بر ثانیه افزایش پیدا می کند. به عبارت دیگر به این نتیجه می رسیم که در سقوط آزاد شتاب ثابت حرکت  8 / 9 متر بر مجذور ثانیه است.
شتابی که از آن سخن می گوییم شتاب سقوط اجسامی است که جز نیروی گرانش نیروی دیگری بر آن ها وارد نمی شود.
شتاب سقوط آزاد به محل آزمایش، در حقیقت به عرض جغرافیایی محل وابسته است. هم چنین در یک عرض جغرافیایی ثابت ،g بر حسب ارتفاع از سطح زمین تغییر می کند.

اصل اول سازه های نجات تخم مرغ =  کاهش سرعت
فرض کنید شخصی در پشت بام خانه ایستاده و توپی را در راستای افق پرتاب می‌کند. توپ بدون هیچ گونه سرعتی در راستای قائم ، از دست شخص رها می‌شود. اما، نیروی گرانشی اجازه نمی‌ دهد که این وضعیت ادامه یابد. توپ بعد از رها شدن از دست شخص رها می‌شود. اما ، نیروی گرانشی اجازه نمی‌دهد که این وضعیت ادامه یابد. توپ بعد از رها شدن از دست شخص با شتاب 9.8m/s2 به طرف پایین سرعت می‌گیرد و چون حرکت در امتداد قائم یک حرکت با شتاب یکنواخت است که از صفر شروع شده است، می‌توانیم از مجموعه معادلات استاندارد حرکت با شتاب ثابت استفاده کنیم.

معادلات حرکت سقوط آزاد
معادله مکان حرکت سقوط آزاد جسم بر حسب زمان یک معادله سهمی شکل است که نقطه ماکزیمم (قله) سهمی در نقطه اوج جسم می‌باشد:
y = -gt2/2 + V0t

در این معادله Y مکان جسم ، t زمان ، g شتاب جاذبه زمین و V0 سرعت اولیه جسم می‌باشد.
معادله سرعت حرکت سقوط آزاد بر حسب زمان یک معادله خطی است که تا نقطه اوج شیب خط منفی و حرکت کند شونده و از آن زمان به بعد حرکت شتابدار تند شونده با شیب مثبت می‌باشد:
V = -gt + V0

در این معادله V سرعت حرکت جسم می‌باشد.
معادله شتاب حرکت سقوط آزاد جسم مستقل از زمان بوده و در نزدیکی سطح زمین مقداری ثابت است و مقدار آن با دقت بالایی با شتاب گرانشی بر روی سطح زمین برابر است. a = g = 9.8 m/s2
معادله نیرو در این حرکت همانند شتاب مستقل از زمان بوده و با نیروی وزن جسم برابر است:
F = ma = mg =9.8 m/s2

معادله مستقل از زمان حرکت سقوط آزاد :
در این معادله سرعت اولیه و نهایی ، ارتفاع سقوط و شتاب جاذبه در غیاب زمان به هم مربوط می‌شوند:
V2 - V02 = -2gy

مسایل کاربردی سقوط آزاد
از این نوع حرکت و معادلاتش در توجیه حرکت جسم افتان ، پرتاب موشک، حرکت پرتابی، حرکت گلوله توپ، صعود و فرود هواپیما، حرکت نوسانی سیستم جرم و فنر آویزان و غیره که هر کدام یا خودشان کاربردهای علمی پدیده‌اند و یا مکانیزم عمل شان این حرکت را در خود دارد و جهت کنترل و داشتن سیستمی پایدار با بازده بالا از مفاهیم و معادلات این حرکت در آن ها استفاده می‌شود.

روش کار ساخت چتر نجات ساده
1- یک نی قابل انعطاف را برداشته و آن را از قسمت طول همانند تصویر به ۸ قسمت مساوی تقسیم کنید.
2-نی را تنها تا قسمت تاشوی آن ببرید و به قسمت زیری آن کاری نداشته باشید.
3-انتهای نی را آن قسمتش را که نبریده اید به آرامی تا کنید و با انبردست آن را بگیرید. به کمک یک فندک قسمت انتهایی آن را کمی گرم کنید تا محکم و سفت شود.
4-انتها را به کمک انبردست نگه دارید و با دقت و به کمک فندک آن را گرم کنید تا دو لبه آن به هم بچسبد.

5-نوار چسب دو طرفه بردارید و آن را به ۸ انتهای نی بچسبانید.
6- انتهای نی را طوری خم کنید که به نوار چسب دو طرفه دستی نخورد.
7-یک کیسه پلاستیکی بردارید و آن را کاملاً صاف کنید تا هیچ چین و چروکی نداشته باشد.
8-قسمت دسته و پایین آن را ببرید.

9-یک مربع به ابعاد ۳۵ در ۳۵ سانتی متر ببرید.
10-پلاستیک را به نصف تا کنید. سپس یک چهارم، بعد یک هشتم و بعد یک شانزدهم.
11-وقتی کار تای پلاستیک تمام شد قسمت اضافی را به اندازه ی ۱۵ سانتی متر ببرید. حالا شما یک مثلث متساوی الساقین دارید.
12-تاها را باز کنید شما یک دایره دارید که خطوط تا روی آن مشخص است.
13-هر یک از هر ۸ قسمت نی را که به آن نوار چسب دو طرفه وصل کرده بودیم در امتداد خطوط تا روی کیسه پلاستیکی قرار می دهیم و می چسبانیم.
14- این کار برای هر هشت قسمت انجام می دهیم.
15-ما در قسمتی که نی خم می شود یک سوراخ داریم. برای آن که چتر نجات تان سنگین تر شود و راحت تر سقوط کند شما باید در داخل آن را به کمک دانه هایی پر کنید.
16-قسمت باز نی را به کمک چوب پنبه محکم کنید تا دانه ها از درون ان نیفتد.

17-حالا می توانید در این مرحله چترتان را تزیین کنید.



بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: زینب شاه مرادی