מכונית תנע מס משכים: 2
משך 1: ידע תאורטי התחלת בניה כולל צביעה.
משך 2: סיום בניה והפעלת המכונית.
מכונית תנע – איך אוויר שיוצא אחורה גורם למכונית לנסוע קדימה?
מספר מפגשים: 2
מפגש 1: היכרות עם העקרונות המדעיים, תחילת בניית המכונית וצביעה.
מפגש 2: סיום הבנייה, ניסויים, מדידות והפעלת המכונית.
איך אפשר לגרום למכונית לנסוע בלי מנוע חשמלי, בלי סוללה ובלי לדחוף אותה ביד?
בפעילות נבנה מכונית שמקור האנרגיה שלה הוא בלון מלא באוויר.
ננפח את הבלון, נשחרר את האוויר – ונראה את המכונית מתחילה לנוע.
אבל כאן מתחילה התעלומה:
אם האוויר יוצא אחורה – למה המכונית נוסעת קדימה?
כדי לפתור את השאלה נכיר את אחד מחוקי הפיזיקה החשובים ביותר ונגלה שהעיקרון שמניע את המכונית שלנו הוא קרוב מאוד לעיקרון שמניע רקטות.
מה נלמד?
במהלך הפעילות נכיר ונחקור:
כוח ותנועה, החוק השלישי של ניוטון, פעולה ותגובה, דחף, מסה ומהירות, תנע, שימור תנע, חיכוך והתנגדות לתנועה, השפעת מסת המכונית, השפעת כמות האוויר בבלון, תכנון ניסוי, מדידה ושיפור הנדסי.
הרעיון המרכזי הוא:
כאשר המכונית דוחפת אוויר לאחור – האוויר מפעיל עליה כוח בכיוון ההפוך ודוחף אותה קדימה.
מתחילים בניסוי קטן
לפני שבונים מכונית, אפשר פשוט לנפח בלון.
אל תקשרו אותו.
החזיקו אותו ושחררו.
מה קורה?
הבלון מתחיל לעוף בחדר בצורה לא צפויה.
האוויר יוצא מצד אחד – והבלון נע לכיוון אחר.
השאלה:
מי דוחף את הבלון?
האוויר?
הבלון?
או שניהם?
כדי להבין את התשובה צריך להכיר את החוק השלישי של ניוטון.
החוק השלישי של ניוטון – פעולה ותגובה
החוק השלישי של ניוטון עוסק בכוחות שנוצרים כאשר שני גופים פועלים זה על זה.
כאשר גוף אחד מפעיל כוח על גוף אחר, הגוף השני מפעיל עליו כוח:
שווה בגודלו והפוך בכיוונו.
במילים פשוטות:
אם A דוחף את B – גם B דוחף את A.
חשוב להבין:
שני הכוחות אינם פועלים על אותו גוף.
לכן הם אינם פשוט "מבטלים זה את זה".
כל כוח פועל על גוף אחר.
דוגמה פשוטה – קפיצה
כשאנחנו קופצים, הרגליים שלנו דוחפות את הקרקע כלפי מטה.
באותו זמן הקרקע מפעילה עלינו כוח בכיוון ההפוך.
התוצאה:
אנחנו עולים למעלה.
אנחנו לא יכולים לראות את הכוח עצמו, אבל אנחנו בהחלט יכולים לראות את התוצאה שלו.
ומה קורה כשאנחנו הולכים?
כאשר אנחנו הולכים, כף הרגל מפעילה כוח על הקרקע לאחור.
הקרקע מפעילה עלינו כוח קדימה.
כך אנחנו יכולים להתקדם.
גם בשחייה קורה דבר דומה:
אנחנו דוחפים מים לאחור בעזרת הידיים והרגליים, והמים מפעילים עלינו כוח בכיוון ההפוך ומקדמים אותנו.
ומה קורה בבלון?
כאשר הבלון מנופח, האוויר שבתוכו נמצא בלחץ גבוה יותר מהאוויר שמחוץ לו.
כאשר פותחים את הפתח, האוויר נפלט החוצה במהירות.
הבלון מפעיל כוח על האוויר ודוחף אותו החוצה.
האוויר מפעיל על הבלון כוח בכיוון ההפוך.
לכוח שמקדם גוף כתוצאה מפליטת חומר בכיוון ההפוך קוראים:
דחף – Thrust
זהו העיקרון המרכזי שמניע את מכונית התנע שלנו.
ומה לגבי הפתח הצר?
הפתח של הבלון מאפשר לאוויר הלחוץ שבתוכו לצאת החוצה כסילון של אוויר.
חשוב לדייק:
הסיבה לכך שהמכונית נעה אינה "אפקט ונטורי".
המכונית נעה מפני שהאוויר נפלט לאחור והמכונית מקבלת דחף בכיוון ההפוך.
גודל הפתח כן יכול להשפיע על קצב יציאת האוויר, משך הפעולה ועוצמת הדחף – ולכן הוא יכול להפוך למשתנה מעניין בניסוי.
עכשיו מחברים את הבלון למכונית
במקום לאפשר לבלון לעוף לכל הכיוונים, מחברים אותו לשלדה עם גלגלים.
כעת כיוון יציאת האוויר נקבע מראש.
האוויר נפלט לאחור.
הכוח בכיוון ההפוך פועל על המכונית.
והמכונית מתחילה לנוע:
אוויר לאחור → מכונית קדימה
זה בדיוק העיקרון שאנחנו רוצים לראות בפעולה.
אז מהו תנע?
שם הפעילות הוא "מכונית תנע", ולכן חשוב להבין מה פירוש המושג.
תנע הוא מדד לכמות התנועה של גוף.
התנע תלוי בשני דברים:
המסה של הגוף
ו־ המהירות שלו.
בפיזיקה ניתן לכתוב:
תנע = מסה × מהירות
או:
p = m × v
אין צורך לבצע חישובים מורכבים כדי להבין את הרעיון.
מכונית כבדה שנעה במהירות ומכונית קלה שנעה באותה מהירות אינן בעלות אותו תנע.
גם שינוי במהירות משנה את התנע.
מה הקשר בין האוויר לתנע של המכונית?
האוויר שיוצא מהבלון אינו נעלם.
יש לו מסה ויש לו מהירות.
לכן גם לאוויר הנפלט יש תנע.
כאשר האוויר מקבל תנע בכיוון אחורה, המכונית מקבלת שינוי תנע בכיוון קדימה.
זה קשור לעיקרון חשוב מאוד בפיזיקה:
חוק שימור התנע
במערכת מתאימה, כאשר הכוחות החיצוניים קטנים, התנע הכולל נשמר.
אנחנו יכולים לחשוב על המכונית והאוויר כעל מערכת:
האוויר יוצא לאחור – והמכונית נעה קדימה.
החוק השלישי ושימור התנע – שני מבטים על אותה תופעה
אפשר להבין את תנועת המכונית בשתי דרכים משלימות.
דרך הכוחות
המכונית דוחפת את האוויר לאחור.
האוויר דוחף את המכונית קדימה.
זהו החוק השלישי של ניוטון.
דרך התנע
האוויר מקבל תנע לאחור.
המכונית מקבלת שינוי תנע קדימה.
זהו הקשר לשימור התנע.
שתי הדרכים מתארות את אותה תופעה מזוויות שונות.
רגע... האם רקטה צריכה אוויר כדי לדחוף עליו?
לא.
זוהי תפיסה מוטעית נפוצה.
רקטה אינה נוסעת קדימה מפני שהגזים שלה "דוחפים את האוויר שמאחוריה".
הרקטה מסוגלת לפעול גם בחלל, שבו כמעט אין אוויר.
היא מאיצה גזים לאחור – והגזים מפעילים עליה כוח בכיוון קדימה.
לכן אותו רעיון בסיסי שאנחנו רואים במכונית הבלון משמש גם בהנעה רקטית.
דוגמאות נוספות לפעולה ותגובה
אפשר למצוא את החוק השלישי של ניוטון כמעט בכל מקום:
אדם הולך – הרגל דוחפת את הקרקע לאחור והקרקע דוחפת אותו קדימה.
שחיין – דוחף מים לאחור והמים דוחפים אותו קדימה.
ציפור – דוחפת אוויר בכיוון מסוים והאוויר מפעיל עליה כוח בכיוון ההפוך.
סירה – המשוט דוחף מים לאחור והמים דוחפים את הסירה קדימה.
רקטה – גזים נפלטים לאחור והרקטה מקבלת דחף קדימה.
בלון משוחרר – האוויר נפלט בכיוון אחד והבלון נע בכיוון ההפוך.
אבל אם יש כוח קדימה – למה המכונית לא ממשיכה לנצח?
המכונית אינה נעה בעולם ללא התנגדות.
פועלים עליה כוחות נוספים.
לדוגמה:
חיכוך בגלגלים ובצירים,
התנגדות בין הגלגלים למשטח,
והתנגדות האוויר.
כאשר הבלון מתרוקן, הדחף קטן ולבסוף נפסק.
הכוחות המתנגדים לתנועה ממשיכים לפעול – ולכן המכונית מאטה ונעצרת.
מה משפיע על המרחק שהמכונית תעבור?
כאן הפעילות הופכת ממשחק לניסוי מדעי.
אפשר לשאול:
האם בלון גדול יותר יגרום למכונית לנסוע רחוק יותר?
מה יקרה אם נוסיף משקל?
האם גלגלים גדולים יותר יעזרו?
מה יקרה אם ציר אחד אינו ישר?
האם גודל פתח יציאת האוויר משנה את התוצאה?
האם המכונית תיסע אותו מרחק על שולחן, רצפה ושטיח?
לכל אחת מהשאלות האלה אפשר לבנות ניסוי.
כמות האוויר בבלון
בלון שמכיל יותר אוויר יכול לספק יותר חומר שנפלט מהמערכת ולפעול במשך זמן שונה.
אבל בלון גדול יותר גם מוסיף מסה ויכול לשנות את מבנה המכונית.
לכן אנחנו לא מנחשים מראש שהתוצאה תמיד תהיה "יותר אוויר = יותר מרחק".
אנחנו בודקים ומודדים.
ומה יקרה אם נוסיף משקל?
מכונית כבדה יותר דורשת כוח גדול יותר כדי לקבל אותה תאוצה כמו מכונית קלה יותר.
מצד שני, מסה משפיעה גם על התנע ועל התנהגות המכונית לאחר שכבר התחילה לנוע.
אפשר לבצע ניסוי:
מכונית ללא משקל נוסף.
מכונית עם משקל קטן.
מכונית עם משקל גדול יותר.
ולמדוד את המרחק או את הזמן.
הגלגלים והצירים חשובים לא פחות
אפשר לבנות מערכת הנעה מצוינת – אבל אם הגלגלים מתחככים בשלדה או אם הצירים אינם ישרים, חלק מהאנרגיה יאבד בהתנגדות ובחיכוך.
לכן מהנדס צריך לחשוב לא רק:
"איך לייצר יותר דחף?"
אלא גם:
"איך לבזבז פחות ממנו?"
גלגלים שמסתובבים בחופשיות, צירים ישרים ומכונית מאוזנת יכולים לשפר משמעותית את הביצועים.
עכשיו הופכים לחוקרים
לאחר שהמכונית מוכנה, לא מסתפקים ב"לשחרר ולראות מה קורה".
עובדים בצורה מדעית:
השערה → ניסוי → מדידה → תוצאה → הסבר
לדוגמה:
השערה:
מכונית עם יותר אוויר בבלון תעבור מרחק גדול יותר.
ניסוי:
משנים רק את כמות האוויר בבלון.
מדידה:
מודדים את המרחק שעברה המכונית.
תוצאה:
משווים בין הניסויים.
הסבר:
מנסים להבין מדוע התקבלה התוצאה.
כלל הזהב – משתנה אחד בכל פעם
אם רוצים לדעת מה גרם לשינוי, צריך לשנות בכל ניסוי רק משתנה אחד.
אם שינינו גם את הבלון, גם את המשקל וגם את הגלגלים – לא נדע איזה שינוי באמת השפיע על התוצאה.
לכן:
משנים דבר אחד – ומשאירים את כל השאר דומה ככל האפשר.
זהו אחד העקרונות החשובים בחקר מדעי.
אתגר מהנדסים – המכונית שנוסעת הכי רחוק
לאחר שהבנו את המדע, אפשר להתחיל לשפר את המכונית.
המטרה:
לגרום למכונית לעבור את המרחק הגדול ביותר באמצעות האוויר שבבלון.
אפשר לבחור משתנה אחד לשיפור:
כמות האוויר,
גודל פתח היציאה,
משקל המכונית,
יישור הצירים,
מבנה הגלגלים,
או סוג המשטח.
לפני כל שינוי שואלים:
מה אנחנו משנים?
מה אנחנו חושבים שיקרה?
איך נמדוד?
ומה באמת קרה?
אתגר נוסף – מכונית מהירה או מכונית למרחק?
האם המכונית שעוברת את המרחק הגדול ביותר היא גם המכונית המהירה ביותר?
לא בהכרח.
אפשר לבנות שני אתגרים שונים:
אתגר מרחק – מי נוסע הכי רחוק?
אתגר מהירות – מי עובר מרחק קבוע בזמן הקצר ביותר?
כאן התלמידים מגלים שמטרה הנדסית שונה יכולה לדרוש תכנון שונה.
מה הערך הלימודי של הפעילות?
בניית מכונית התנע אינה רק יצירה של כלי נוסע.
באמצעותה התלמידים חוקרים:
כיצד כוח יוצר שינוי בתנועה,
כיצד גופים מפעילים כוחות זה על זה,
כיצד מסה ומהירות קשורות לתנע,
כיצד פליטת אוויר יוצרת דחף,
כיצד חיכוך משפיע על ביצועים,
וכיצד מהנדסים משפרים מערכת באמצעות ניסוי ומדידה.
במהלך הפעילות הם מתרגלים חשיבה מדעית, בניית השערות, מדידה, שינוי משתנה אחד בכל פעם, השוואת תוצאות, פתרון בעיות, ניסוי וטעייה, תכנון הנדסי ושיפור מוצר על בסיס נתונים.
המטרה היא לעבור מ:
"ניפחתי בלון והמכונית נסעה."
ל:
"אני מבין מדוע היא נסעה, ואני יכול לחזות כיצד שינוי במערכת ישפיע על התנועה שלה."
שאלת הסיום
המכונית שלנו מוציאה אוויר לאחור ונעה קדימה.
רקטה פולטת גזים לאחור ונעה קדימה.
אז האם מכונית הבלון שלנו היא בעצם רקטה קטנה על גלגלים?
חשבו על:
החוק השלישי של ניוטון,
דחף,
תנע,
חיכוך,
והכיוון שבו החומר נפלט.
ואז מגיע האתגר האחרון:
איזה שינוי תעשו כדי לגרום למכונית שלכם לנסוע רחוק יותר – ואיך תוכיחו שהשינוי באמת עזר?
כי ברגע שאתם מעלים השערה, משנים, מודדים ומשפרים –
אתם כבר לא רק בונים מכונית. אתם עובדים כמו מדענים ומהנדסים.
הארה בפייסבוק
