🚗💨 מכונית רחף – כשהטכנולוגיה של המטוסים מגיעה לכביש!
מערך מדעי משוכתב ומורחב
הנושא המדעי המרכזי: הנעה באמצעות מדחף וכוח הדחף, והשימוש בטכנולוגיה זו בכלי תחבורה באוויר, ביבשה ובים.
1. האם מכונית יכולה לנסוע בלי שהמנוע יסובב את הגלגלים?
דמיינו מכונית רגילה.
כאשר הנהג לוחץ על דוושת הגז, המנוע מפעיל מערכת המעבירה כוח לגלגלים. הגלגלים דוחפים את הכביש לאחור, והכביש מפעיל עליהם כוח בכיוון הנסיעה.
אבל מה יקרה אם ננתק את הגלגלים מהמנוע?
האם המכונית עדיין תוכל להתקדם?
בהחלט!
אפשר להתקין במכונית מנוע שמסובב מדחף, בדיוק כפי שעושים בכלי טיס מסוימים.
המדחף דוחף אוויר לאחור, וכתוצאה מכך נוצר כוח שמניע את המכונית קדימה.
כך מתקבלת מכונית מיוחדת שאינה זקוקה להנעה ישירה של הגלגלים.
וזה בדיוק מה שנחקור באמצעות מכונית הרחף שלנו!
2. המדחף – טכנולוגיה שאינה מיועדת רק למטוסים
כאשר אנחנו רואים מדחף, בדרך כלל אנחנו חושבים על מטוס.
אבל מדחפים יכולים להניע גם כלי רכב שנעים על הקרקע וכלי שיט שנעים על פני המים.
העיקרון פשוט: המדחף מאיץ אוויר בכיוון אחד, והאוויר מפעיל על המדחף כוח בכיוון ההפוך.
במטוס הכוח הזה מסייע להניע אותו קדימה באוויר.
במכונית הרחף שלנו אותו עיקרון מניע את המכונית על פני הקרקע.
גם בכלי שיט מסוימים משתמשים במדחפי אוויר כדי ליצור כוח דחף.
שאלה לתלמידים: אם המדחף מסוגל להניע מטוס באוויר, מדוע שלא נוכל להשתמש בו גם כדי להניע מכונית?
3. מהו כוח הדחף?
כוח דחף (Thrust) הוא כוח שיכול לגרום לכלי תחבורה להתקדם.
במכונית הרחף שלנו המנוע החשמלי מסובב מדחף.
ללהבי המדחף יש צורה וזווית מיוחדות.
כאשר המדחף מסתובב, הוא מאיץ אוויר לאחור.
כתוצאה מכך מופעל על המדחף כוח בכיוון ההפוך – קדימה.
הכוח הזה מועבר אל גוף המכונית ומניע אותה.
איך זה עובד?
מנוע חשמלי ← סיבוב המדחף ← האצת אוויר לאחור ← כוח דחף קדימה.
שימו לב: המדחף אינו חייב לגעת בקרקע כדי להניע את המכונית.
הוא משתמש באוויר שסביבנו!
4. החוק השלישי של ניוטון – פעולה ותגובה
בשנת 1687 פרסם אייזק ניוטון את חוקי התנועה שלו.
החוק השלישי קובע:
כאשר גוף אחד מפעיל כוח על גוף שני, הגוף השני מפעיל על הראשון כוח שווה בגודלו והפוך בכיוונו.
נכיר את החוק באמצעות המדחף.
כאשר המדחף מסתובב, הוא מפעיל כוח על האוויר ודוחף אותו לאחור.
האוויר מפעיל על המדחף כוח תגובה בכיוון ההפוך.
וכך המכונית יכולה להתקדם.
ניסוי מחשבתי
דמיינו שאתם עומדים על סקייטבורד וזורקים כדור כבד קדימה.
מה עשוי לקרות לכם?
אתם עשויים להתחיל לנוע מעט לאחור.
הסיבה היא שהפעלתם כוח על הכדור, והכדור הפעיל עליכם כוח בכיוון ההפוך.
אותו עיקרון פועל גם במכונית הרחף.
5. מכונית רגילה לעומת מכונית המונעת במדחף
למרות ששתי המכוניות נוסעות על הקרקע, הדרך שבה הן יוצרות כוח הנעה שונה.
מכונית רגילה
המנוע מעביר תנועה סיבובית לגלגלים.
הגלגלים מפעילים כוח על הכביש, והכביש מפעיל עליהם כוח קדימה.
החיכוך בין הצמיגים לכביש חיוני ליצירת כוח ההנעה.
מכונית המונעת במדחף
המנוע מסובב את המדחף.
המדחף מאיץ אוויר לאחור.
כוח התגובה של האוויר מניע את המכונית קדימה.
הגלגלים מאפשרים למכונית להתגלגל, אך אינם מקבלים את כוח ההנעה מהמנוע.
ההבדל המרכזי: מכונית רגילה נעזרת במגע בין הגלגלים לכביש כדי להתקדם, ואילו מכונית הרחף משתמשת בכוח דחף הנוצר מהאצת אוויר.
6. רחפת ימית – מכונה שנעה על כרית אוויר
כעת נכיר כלי תחבורה מיוחד שמיישם טכנולוגיות מעולם התעופה גם בים וביבשה.
רחפת ימית (Hovercraft) מסוגלת לנוע מעל מים וגם מעל משטחים יבשתיים מתאימים.
איך היא עושה זאת?
הרחפת משתמשת במערכת המזרימה אוויר אל מתחת לגופה.
האוויר יוצר אזור בעל לחץ גבוה יחסית, המסייע להרים את הרחפת מעט מעל המשטח.
כך נוצרת כרית אוויר שעליה הרחפת נישאת.
מכיוון שגוף הרחפת אינו מתחכך ישירות במים או בקרקע באותה מידה כמו כלי תחבורה רגיל, התנגדות המגע פוחתת.
כיצד הרחפת מתקדמת?
בנוסף למערכת היוצרת את כרית האוויר, רחפות רבות משתמשות במדחף אוויר ליצירת כוח דחף קדימה.
כלומר, ברחפת קיימות שתי פעולות שונות:
ריחוף: אוויר המוזרם מתחת לגוף יוצר כרית אוויר המסייעת להחזיק את הרחפת מעל המשטח.
הנעה: מדחף מאיץ אוויר לאחור ויוצר כוח המניע את הרחפת קדימה.
כך אפשר לשלב בין טכנולוגיה של זרימת אוויר לבין תנועה על פני הים והיבשה.
7. הבקאי – טרקטורון מעופף עם מדחף
הכירו את הבקאי (Buckeye), המוכר גם בשם מצנח ממונע גלגלי או ממ"ג.
זהו כלי טיס קל בעל גלגלים, מנוע, מדחף וכנף גמישה המזכירה מצנח רחיפה.
בניגוד למכונית הרחף שלנו, הבקאי מסוגל להמריא ולנוע באוויר.
איך הבקאי פועל?
המנוע מסובב מדחף שיוצר כוח דחף קדימה.
כאשר הכלי נע קדימה, האוויר זורם סביב הכנף שלו.
הכנף יוצרת כוח עילוי שמאפשר לכלי להישאר באוויר.
לכן חשוב להבחין בין שני כוחות שונים:
כוח הדחף: נוצר באמצעות המדחף ומניע את הבקאי קדימה.
כוח העילוי: נוצר באמצעות הכנף ומאפשר לו לטוס.
במכונית הרחף אנחנו משתמשים בעיקרון יצירת הדחף, אך לא מייצרים עילוי שמרים את המכונית מהקרקע.
8. אותה טכנולוגיה – שלוש סביבות שונות!
עכשיו אנחנו יכולים להבין רעיון הנדסי חשוב.
אותו עיקרון מדעי יכול לשמש לפיתוח כלי תחבורה שונים לחלוטין.
✈️ מטוס מדחף: המדחף יוצר דחף קדימה, והכנפיים יוצרות עילוי.
🚗 מכונית רחף: המדחף יוצר דחף קדימה, והגלגלים תומכים במכונית ומאפשרים לה להתגלגל על הקרקע.
🚤 רחפת ימית: מערכת אוויר יוצרת כרית המאפשרת ריחוף מעל המשטח, ומערכת הנעה דוחפת את הרחפת קדימה.
🪂 בקאי: המדחף יוצר דחף קדימה, וכנף המצנח הממונע מייצרת עילוי.
המסקנה: מהנדסים יכולים להשתמש באותם עקרונות פיזיקליים וליצור באמצעותם פתרונות תחבורה שונים.
9. כיצד פועל המנוע החשמלי במכונית הרחף?
המנוע החשמלי הוא החלק שמאפשר למדחף להסתובב.
המנוע מקבל אנרגיה חשמלית מהסוללות.
בתוך המנוע קיימים רכיבים מגנטיים וסלילים מוליכים.
כאשר זרם חשמלי עובר בסלילים, נוצרים כוחות אלקטרומגנטיים הגורמים לחלק המסתובב של המנוע לנוע.
הסיבוב מועבר ישירות אל המדחף.
גלגולי האנרגיה במכונית
אנרגיה כימית בסוללות → אנרגיה חשמלית → אנרגיית סיבוב של המנוע והמדחף → אנרגיית תנועה של האוויר והמכונית.
חלק מהאנרגיה הופך גם לחום ולקול.
חשוב לזכור: המנוע אינו מייצר אנרגיה חדשה, אלא ממיר אנרגיה מצורה אחת לאחרת.
10. מה משפיע על מהירות מכונית הרחף?
לאחר שהבנו כיצד המכונית פועלת, נוכל לשאול שאלה מעניינת.
מדוע מכוניות המונעות במדחף אינן נעות תמיד באותה מהירות?
התשובה תלויה בכמה גורמים.
מהירות סיבוב המדחף: שינוי מהירות הסיבוב עשוי לשנות את כמות האוויר המואצת ואת כוח הדחף שנוצר.
מבנה המדחף: קוטר המדחף, צורת הלהבים וזוויתם משפיעים על יכולתו להאיץ אוויר.
מסת המכונית: ככל שמסת המכונית גדולה יותר, נדרש כוח גדול יותר כדי להעניק לה אותה תאוצה.
התנגדות לתנועה: חיכוך בגלגלים, התנגדות גלגול והתנגדות האוויר משפיעים על תנועת המכונית.
עוצמת המנוע: המנוע צריך לספק את ההספק המתאים להפעלת המדחף.
שאלה למחשבה
מה יקרה אם נתקין במכונית מדחף גדול יותר?
האם היא בהכרח תיסע מהר יותר?
לא בהכרח!
מדחף גדול יותר עשוי ליצור דחף רב יותר בתנאים מסוימים, אך הוא גם יכול להעמיס על המנוע ולהפחית את מהירות הסיבוב.
11. האתגר המדעי – חוקרים את כוח הדחף! 🚗💨
לאחר בניית מכונית הרחף, הגיע הזמן להפוך למהנדסים ולחוקרים.
ניסוי ראשון – מכונית בלי הנעת גלגלים
נפעיל את המנוע ונצפה בתנועת המכונית.
ננסה לזהות מה באמת גורם לה להתקדם.
שאלת החקר: כיצד המדחף מצליח להניע את המכונית בלי לסובב את הגלגלים?
ניסוי שני – השפעת המשטח
נפעיל את המכונית על שני משטחים שונים, למשל רצפה חלקה ושטיח קצר.
נשמור ככל האפשר על אותם תנאי הפעלה.
שאלת החקר: כיצד סוג המשטח משפיע על מהירות המכונית ועל המרחק שהיא עוברת?
ניסוי שלישי – כיוון הדחף
נבחן את כיוון זרימת האוויר שיוצר המדחף.
שאלת החקר: לאיזה כיוון המדחף מאיץ את האוויר, ולאיזה כיוון המכונית נעה?
ננסה להסביר את התוצאה באמצעות החוק השלישי של ניוטון.
🏆 האתגר הגדול!
האם תוכלו לגרום למכונית הרחף לעבור מרחק של שני מטרים בזמן הקצר ביותר?
חשבו כיצד אפשר לשפר את תנועתה באמצעות הפחתת ההתנגדות לתנועה ושמירה על פעילות תקינה של המדחף.
בצעו כמה ניסיונות, מדדו את הזמנים והשוו את התוצאות.
למצגת בנושא מכונית רחף לחצו כאן
לפודקאסט בנושא מכונית רחף לחצו כאן
הארה בפייסבוק
