استحکام پوسته تخم مرغ

مقدمه:

 آیا تا به حال دقت کرده اید که برخی از درگاه های بزرگ به خصوص در ساختمان های قدیمی قوسی بالای خود دارند؟ تاق های قوسی از زمان های بسیار قدیم در معماری ساختمان ها استفاده می شده اند. در این فعالیت علمی شما یک ساختار طبیعی قوس دار را مورد آزمایش قرار خواهید داد: پوسته تخم مرغ. پوسته تخم مرغ چه میزان بار تحمل می کند؟

پیش زمینه:

تاق های قوسی هزاران سال است که به عنوان یکی از عناصر مهم در مهندسی سازه استفاده می شوند. برای مثال، بیش از دو هزار سال پیش رومی ها از تاق های قوسی برای دادن مقاومت کافی به قنات ها و دیگر سازه های سنگی عظیم استفاده می کردند. شکل هندسی تاق قوسی سبب توزیع نیروها به ستون هایی که توان تحمل بار را دارند می شود.
پوسته تخم مرغ مثالی طبیعی از یک ساختار قوسی است. یکی از دو سر پوسته تخم مرغ قوسی بزرگ تر و پهن تر و سمت دیگر آن قوسی نازک تر و تیزتر دارد. اگر تخم مرغ را به یک سطح سفت بزنید به راحتی می شکند. اما اگر سعی کنید تخم مرغ را در جهت طولی فشار دهید تا بشکند، متوجه خواهید شد که تخم مرغ نیروی بیشتری از آنچه تصور می کردید تحمل می کند. (برای این کار حتماً دستکش بپوشید چرا که تکه های پوسته ی تخم مرغ پس از شکستن بسیار تیز هستند.)

مواد و وسایل مورد نیاز:

 حداقل سه عدد تخم مرغ خام
 مداد یا ماژیک
 خط کش (اختیاری)
 یک کاسه
 یک تیزکن
 یک بشقاب یا هر سطح صاف دیگر برای قرار دادن پوسته های تخم مرغ و انجام آزمایش روی آن

 

 یک کتاب با جلد سخت
 چند جلد مجله یا کتاب نازک و سبک

آماده سازی:

با یک مداد یا ماژیک خطی در وسط تخم مرغ و در فاصله ای یکسان از دو سر نوک تیز آن دور تا دور رسم کنید. این خط باید به طور تقریبی در پهن ترین قسمت تخم مرغ (در جهت عرضی و نه طولی) باشد. ممکن است برای تشخیص وسط تخم مرغ و رسم خط به خط کش نیاز داشته باشید.
با دقت در پوسته تخم مرغ در قسمت نوک تیزتر آن یک سوراخ کوچک ایجاد کنید و محتویات داخل تخم مرغ را در یک کاسه بریزید. سپس پوسته خالی تخم مرغ را با آب بشویید. دقت کنید که تمام سطوحی که تخم مرغ خام با آنها تماس دارد از جمله دستانتان را با آب و صابون بشویید چرا که ممکن است تخم مرغ ها حامل باکتری سالمونلا باشند.

 

با استفاده از تیزکن روی خطی که روی تخم مرغ رسم کرده اید با دقت خراش ایجاد کنید. باید این کار را بسیار آهسته و با دقت انجام دهید، چرا؟
حال با دقت فراوان تخم مرغ را از این خط ببرید. پوسته ی تخم مرغ چقدر محکم است؟
این کار را دو مرتبه ی دیگر انجام دهید تا در نهایت سه پوسته نصف شده ی تخم مرغ داشته باشید.
دقت داشته باشید که اگر لبه های بریده شده پوسته کمی ناهموار باشند مشکلی وجود ندارد. اما در صورتی که ترکی قابل توجه در آنها ایجاد شده است، باید تخم مرغ جدیدی را بردارید و مجدداً پوسته ای برای آزمایش آماده کنید. پوسته های نهایی تان نباید هیچ ترکی داشته باشند تا باعث ضعف پوسته شوند.

روش کار:

سه پوسته ی تخم مرغی که آماده کرده اید را روی یک سطح صاف مانند بشقاب طوری قرار دهید که قسمت باز آنها رو به پایین باشد. این سه پوسته را طوری با فاصله از هم بگذارید که تشکیل یک مثلث متساوی الاضلاع دهند. به نظر شما چه لزومی دارد که این سه پوسته فاصله ای یکسان با هم داشته باشند؟

 

 با دقت یک کتاب با جلد سخت روی این سه پوسته ی تخم مرغ قرار دهید. کتاب باید طوری در وسط پوسته ها قرار بگیرد که وزن آن بین سه پوسته به طور مساوی تقسیم شود. آیا پوسته ها می توانند وزن کتاب را تحمل کنند؟

 

 حال مجله ها را یکی یکی روی کتاب اضافه کنید تا میزان تحمل پوسته ها را بسنجید. قبل از شکستن پوسته ها چند مجله روی آنها اضافه کرده اید؟
 کتاب و مجله هایی که پوسته ها تحمل کرده اند را بلند کنید. آیا خیلی سنگین هستند؟ آیا میزان وزنی که این پوسته ها تحمل می کنند برایتان عجیب است؟

آزمایش های تکمیلی:

با ترازوی آشپزخانه وزن کتاب و مجله هایی را که پوسته های تخم مرغ تحمل کرده اند اندازه بگیرید. این پوسته ها چه وزنی (در واقع جرم) تحمل می کنند؟ آیا نتیجه برایتان عجیب است؟

 

در این فعالیت علمی شما قسمت نوک تیزتر پوسته ی تخم مرغ را سوراخ کردید و میزان تحمل قسمت قوسی شکل پهن پوسته را اندازه گرفتید. به نظرتان اگر به جای این کار قسمت پهن تر را سوراخ کنید و همین آزمایش را روی قسمت نوک تیز پوسته انجام دهید چه نتیجه ای به دست خواهید آورد؟
 این فعالیت را یک مرتبه دیگر انجام دهید، اما این بار پوسته را به جای جهت عرضی، در جهت طولی نصف کنید. در این حالت پوسته تخم مرغ قابلیت تحمل چه میزان بار را دارد؟

مشاهده و نتیجه گیری:

آیا پوسته های تخم مرغ قادر به تحمل کتاب و چند مجله هستند؟
پوسته های تخم مرغ وزن غیر قابل باوری را تحمل می کنند. احتمالاً در این فعالیت علمی مشاهده کرده اید که این پوسته ها وزن یک کتاب با جلد سخت و بیش از ده عدد مجله را قبل از شکستن و فرو ریختن تحمل می کنند. (البته اگر قبل از قرار دادن کتاب و مجله ها در پوسته ها ترکی کوچک وجود داشته باشد، احتمالاً پس از قرار دادن کتاب و تعداد کمی مجله آن پوسته می شکند و به دنبالش دو پوسته ی تخم مرغ دیگر نیز فرو می ریزند.) در ساختمان ها ساختارهای قوسی سبب پخش وزن وارد شده به ستون-های محکم که تاق های قوسی را نگه می دارند می شوند و همین اتفاق در مورد پوسته ی تخم مرغ نیز می افتد.

این موضوع سبب حذف برخی تنش های وارد بر سازه می شود. به طور کلی، شکل قوسی باعث می شود سازه وزن زیادی را روی خود تحمل کند.

تمیز کردن:

پس از انجام این فعالیت علمی، تمام سطوحی که با پوسته تخم مرغ خام در تماس بوده اند را با آب و صابون خوب بشویید، چرا که ممکن است تخم مرغ ها حاوی باکتری سالمونلا باشند.

منبع:  How Strong are Eggshells

آزمایش شنوایی در خانه

مقدمه:

امواج صوتی ، امواج مکانیکی طولی هستند. این فیزیک امواج می‌توانند در جامدات، مایعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادی منتقل کننده‌ی این فیزیک امواج ، در راستای انتشار موج نوسان می‌کنند. فیزیک امواج مکانیکی طولی در گستره‌ی وسیعی از بسامدها به وجود می‌آیند و در این میان بسامدهای فیزیک امواج صوتی در محدوده‌ای قرار گرفته‌اند که می‌توانند گوش و مغز انسان را برای شنیدن تحریک کنند. این محدوده تقریبا از 20 هرتز تا حدود 20000 هرتز است و گستره‌ی شنیده شدنی نامیده می‌شود. فیزیک امواج مکانیکی طولی را که بسامدشان زیر گستره‌ی شنیده شدنی باشد امواج فرو صوتی، و آنهایی که بسامدشان بالای این گستره باشد، امواج فراصوتی گویند.

 

 

 

  نواختن موسیقی کاری بسیار سرگرم کننده است که با آن می‌توان در مورد فیزیک صوت نیز بیشتر آموخت. با استفاده از یک رشته نخ و کمک گرفتن از یک نفر دیگر، هر فرد مبتدی در زمینه‌ی موسیقی می‌تواند صداهای زیبا تولید کند. این فعالیت علمی جذابیت به خصوصی دارد زیرا آنچه که برای شما در این آزمایش قابل شنیدن است توسط افراد دیگر قابل تشخیص نخواهد بود.

پیش‌زمینه:

 

با رسیدن ارتعاشات هوا به گوش انسان و تحریک اعصاب برای ارسال سیگنال‌های الکتریکی به مغز، صداها شنیده می‌شوند. امواج صوتی ارتعاشات را به گوش انسان می‌رسانند. هوای در حال حرکت در داخل گوش انسان به پرده‌ی گوش فشار وارد می‌کند و پرده شروع به ارتعاش می‌کند. پرده‌ی گوش نیز در عوض به استخوان‌های گوش میانی که کوچکترین استخوان‌ها در بدن انسان هستند فشار وارد می‌کند. این استخوان‌ها مانند مجموعه‌ای از اهرم‌ها عمل می‌کنند و غشای نازکی که در ابتدای گوش میانی وجود دارد را فشار می‌دهند.

 

 

 

مواد و وسایل مورد نیاز:

 یک همراه برای کمک در انجام آزمایش
 یک تکه نخ به طول تقریبی پنج فوت

آماده‌سازی:

 دستان‌تان را روی گوش‌های خود قرار دهید.

 از همراه خود بخواهید نخ را به دور سرتان (از روی دست‌هایتان) بپیچد و به آرامی دو انتهای آن را بکشد.

روش کار:

در حالی که همراهتان دو انتهای نخ را به آرامی می‌کشد، از او بخواهید با انگشت به آن ضربه بزند (مانند نواختن گیتار). چه چیزی می‌شنوید؟ به نظرتان چرا این اتفاق می‌افتد؟ همراه شما با انجام این کار چه چیزی می‌شنود؟

 حال از دستیار خود بخواهید دو انتهای نخ را محکم‌تر بکشد و مجدداً به آن ضربه وارد کند. چه چیزی می‌شنوید؟ آیا صدایی که به گوش شما می‌رسد تغییر کرده است؟ به نظرتان دلیل این اتفاق چیست؟

 

 

 

 اکنون از دستیارتان بخواهید کمی نخ را دور سرتان شل کند. با ضربه زدن به نخ این بار چه صدایی می‌شنوید؟ دلیل این اتفاق چیست؟

 حال جای خود را با دستیارتان عوض کنید و این بار شما نخ را دور سر همراهتان بپیچید و به آن ضربه وارد کنید. با ضربه زدن به نخ چه می‌شنوید؟ از دستیارتان نیز بخواهید در مورد صدایی که شنیده است برایتان توضیح دهد.

 میزان فشار وارد بر نخ را تغییر دهید و از همراه خود بخواهید آنچه را که با این تغییرات می‌شنود برایتان توصیف کند.

آزمایش تکمیلی:

 همین فعالیت را با نخ‌هایی در اندازه‌ها و انواع مختلف انجام دهید. (برای مثال نخ نایلون، نخ پنبه و یا بند کفش) اندازه و نوع ماده چه تأثیری بر چگونگی انتقال امواج صوتی دارد؟ صدای تولید شده دارای چه فرکانسی (بالا و یا پایین) است؟

 

 

 

مشاهده و نتیجه‌گیری:

به نظرتان چرا شنیدن صدا توسط شما زمانی که نخ دور سر دستیارتان پیچیده شده است بسیار دشوارتر از زمانی است که نخ دور سر خودتان قرار دارد؟ زمانی که شما به نخی که دور سر دستیارتان پیچیده شده است ضربه وارد می‌کنید نخ شروع به ارتعاش می‌کند.

برای رسیدن به گوش شما، ارتعاشات باید به هوا فشار وارد کنند تا امواج صوتی که از طریق هوا جا به ‌جا می‌شوند به وجود بیایند. اما از آنجا که نخ خیلی بزرگ نیست هوای زیادی تحت فشار قرار نمی‌گیرد و به این ترتیب ارتعاشات صوتی به راحتی از نخ وارد هوا نمی‌شوند.

 

 

 

با این وجود زمانی که نخ دور سر شما قرار گرفته است، صوت می‌تواند مسیر مستقیم‌تری را به گوش شما طی کند. در این حالت ارتعاشات به جای حرکت از طریق هوا از راه دست و استخوان جمجمه به طور مستقیم به مایع داخل حلزون گوش داخلی می‌روند.

به جای حرکت از یک محیط جامد به هوا و پس از آن وارد شدن مجدد به یک محیط جامد، ارتعاشات ترجیح می‌دهند از محیط جامد (نخ) به محیط جامد دیگر (بدن شما) و سپس به محیط مایع (مایع داخل بخش حلزونی گوش) بروند. در نتیجه صدایی که در این حالت می‌شنوید بسیار بلندتر و واضح‌تر از حالتی است که نخ به دور سر دستیارتان پیچیده شده باشد.

 

 

 

در نخ‌های در حال ارتعاش رابطه‌ای میان تنش و سرعت ارتعاش امواج در نخ وجود دارد. در نتیجه صدایی که می‌شنوید حاصل ایجاد تنش در نخ است؛ هر چه نخ محکم‌تر کشیده شود فرکانس ارتعاشات بیشتر خواهد شد. این تنش زیاد سبب ایجاد فرکانس بالا در صوت حاصل است. هر چه نخ کمتر کشیده شود نتیجه عکس خواهد شد: فرکانس ارتعاشات کاهش می‌یابد و صدایی که توسط فرد شنیده می‌شود در محدوده‌ای پایین‌تر است.

منبع:  Make Amazing Sounds Only You Can Hea