فرفره و سنجش سرعت باد؛ یک آزمایش علمی ساده
باد چیست و چگونه ایجاد میشود؟
باد، همان هوای در حال حرکت است. این حرکت زمانی رخ میدهد که خورشید سطح زمین را بهصورت نامساوی گرم میکند. هوای گرم شده سبکتر شده و به سمت بالا حرکت میکند و هوای سردتر و سنگینتر اطراف، برای پر کردن جای آن به حرکت درمیآید. این جابجایی هوا، همان بادی است که ما احساس میکنیم. برای درک بهتر، میتوانید یک بادکنک پر از هوای گرم را رها کنید؛ میبینید که به سمت بالا پرواز میکند زیرا هوای داخل آن از هوای اطراف سبکتر است.
انمومتر چیست و چگونه کار میکند؟
انمومتر[1] یا بادسنج، وسیلهای برای اندازهگیری سرعت باد است. یکی از سادهترین انواع آن، انمومتر فرفرهای یا چرخان است. این نوع بادسنج معمولاً از سه یا چهار نیمکره (کاپ) تشکیل شده که حول یک محور میچرخند. وقتی باد میوزد، این کاپها را به حرکت درمیآورد. هرچه باد قویتر باشد، کاپها با سرعت بیشتری میچرخند. با شمارش تعداد چرخشهای آن در یک بازه زمانی مشخص، میتوان سرعت باد را محاسبه کرد. ما در این آزمایش از یک فرفره کاغذی بهجای کاپ استفاده میکنیم که اصل کار یکسانی دارد.
وسایل مورد نیاز برای ساخت بادسنج فرفرهای
برای انجام این آزمایش به وسایل بسیار سادهای نیاز دارید که احتمالاً همه در خانه دارید:
| وسیله | توضیح |
|---|---|
| یک تکه کاغذ مربعی شکل (حدود 15×15 سانتیمتر) | کاغذ رنگی یا مقوای نازک مناسب است. |
| یک نی پلاستیکی بلند | به عنوان دسته و محور فرفره استفاده میشود. |
| سوزن یا پونز | برای اتصال فرفره به نی. |
| خطکش و قیچی | برای برش و اندازهگیری. |
| کرونومتر یا ساعت دارای ثانیهشمار | برای زمانگیری چرخش فرفره. |
| ماژیک یا خودرو | برای علامتگذاری روی یکی از پرهها. |
گامبهگام: چگونه فرفره خود را بسازیم؟
ساخت فرفره بسیار آسان است. این مراحل را به دقت دنبال کنید:
گام اول: کاغذ مربعی شکل خود را بردارید. آن را از هر دو قطر بهطور کامل تا بزنید و سپس باز کنید. این کار چهار خط تا روی کاغذ ایجاد میکند که مرکز مربع را مشخص میکنند.
گام دوم: از هر گوشه به سمت مرکز، به اندازه حدود ⅔ فاصله را اندازه بگیرید و با قیچی یک برش ایجاد کنید (حدود 10 سانتیمتر برای کاغذ 15×15).
گام سوم: هر گوشه برشخورده را به نوبت به سمت مرکز کاغذ بیاورید. نوک هر گوشه را دقیقاً روی مرکز قرار دهید.
گام چهارم: حالا با دقت، سوزن یا پونز را از وسط همهی این نوکهای تا شده و مرکز کاغذ عبور دهید. سپس نوک سوزن را وارد نی پلاستیکی کنید. توجه: فرفره باید به راحتی حول سوزن بچرخد، بنابراین آن را خیلی محکم به نی فشار ندهید. یک گیره کوچک پلاستیکی یا یک تکه پاککن پشت سوزن میتواند از بیرون آمدن آن جلوگیری کند.
گام پنجم: با ماژیک، یکی از پرههای فرفره را رنگ بزنید یا روی آن یک علامت بگذارید. این کار به شما کمک میکند تا چرخشها را به راحتی بشمارید.
چگونه با فرفره سرعت باد را اندازه بگیریم؟ (کالیبراسیون و اندازهگیری)
حالا نوبت تبدیل فرفره زیبای شما به یک ابزار علمی است. برای این کار باید یک رابطه بین سرعت چرخش فرفره و سرعت واقعی باد پیدا کنیم. به این فرآیند کالیبراسیون میگویند.
روش کار:
1. به یک پیشبینی هوای قابل اعتماد (مثلاً از طریق یک اپلیکیشن معتبر) مراجعه کنید و سرعت باد را در لحظه آزمایش یادداشت کنید. فرض کنید سرعت باد 5 کیلومتر بر ساعت گزارش شده است.
2. فرفره خود را در مقابل این باد بگیرید و به مدت دقیقاً 30 ثانیه، تعداد دفعاتی که پره علامتدار شما یک دور کامل میزند را بشمارید. این عدد را ثبت کنید. برای دقت بیشتر، این کار را 3 بار انجام دهید و متوسط بگیرید. فرض کنید متوسط عدد 20 دور در 30 ثانیه باشد.
3. حالا میدانید که در سرعت باد 5 km/h، فرفره شما 20 دور در 30 ثانیه میچرخد. یا به عبارت سادهتر، 0.67 دور در ثانیه (20 ÷ 30 = 0.67).
4. در روز بعد، دوباره فرفره خود را بیرون ببرید. این بار بدون نگاه کردن به پیشبینی هوا، تعداد دورهای آن در 30 ثانیه را بشمارید. فرض کنید 40 دور بشمارید.
5. از آنجایی که میدانید 20 دور برابر با 5 km/h است، میتوانید یک تناسب ساده ایجاد کنید تا سرعت باد جدید را تخمین بزنید:
$ \frac{20}{5} = \frac{40}{x} $
با حل این معادله ساده (20x = 5 * 40 → 20x = 200 → x = 10)، متوجه میشوید سرعت باد تقریباً 10 کیلومتر بر ساعت است.
علم پشت پرده: چرا فرفره ما میچرخد؟
چرخش فرفره یک نمایش عملی از قوانین فیزیک، به ویژه آیرودینامیک و حفاظت از تکانه زاویهای است. وقتی باد به سطح شیبدار پرههای فرفره برخورد میکند، نیرویی به آن وارد میکند. این نیرو را میتوان به دو جزء تقسیم کرد: یکی در راستای پره و دیگری عمود بر آن. جزء عمودی بر پره، باعث ایجاد یک گشتاور حول محور مرکزی میشود که در نهایت فرفره را به چرخش درمیآورد. هرچه نیروی باد بیشتر باشد (یعنی سرعت باد), گشتاور قویتری ایجاد میکند و در نتیجه فرفره با سرعت بیشتری میچرخد. این اصل در توربینهای بادی غولپیکر نیز برای تولید برق استفاده میشود.
ایدههایی برای گسترش آزمایش و پروژه علمی
حالا که بر اصول اولیه مسلط شدید، میتوانید آزمایش خود را گسترش دهید و یک پروژه علمی کامل انجام دهید:
• تأثیر اندازه و شکل پره: آیا یک فرفره بزرگتر سریعتر میچرخد یا یک فرفره کوچکتر؟ فرفرههایی با شکلهای مختلف (مثلاً 3 پره، 5 پره، پرههای خمیده) بسازید و عملکرد آنها را با هم مقایسه کنید.
• نقشه برداری از باد: سرعت باد را در نقاط مختلف حیاط مدرسه یا خانه خود اندازهگیری کنید. آیا کنار دیوارها باد آرامتر است یا در وسط یک فضای باز؟ نتایج را روی یک نقشه ساده علامتگذاری کنید.
• رقص فرفرهها: چند فرفره با رنگهای مختلف بسازید و آنها را در یک ردیف قرار دهید. آیا همه آنها با یک سرعت میچرخند؟ این آزمایش میتواند یک اثر هنری زیبا و در عین حال علمی خلق کند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: چند دلیل متداول وجود دارد: 1- باد به اندازه کافی قوی نیست. 2- سوزن را خیلی محکم به نی فشار دادهاید و اصطکاک مانع چرخش شده است. 3- برشهای کاغذ به درستی انجام نشده یا پرهها به خوبی تا نخوردهاند. 4- فرفره را در جهت مخالف باد گرفتهاید.
پاسخ: خیر، این یک مدل ساده و آموزشی است. دقت آن به عوامل زیادی مانند دقت در کالیبراسیون اولیه، یکنواخت بودن باد و مهارت فرد در شمارش چرخشها بستگی دارد. انمومترهای حرفهای در ایستگاههای هواشناسی بسیار دقیقتر هستند، اما اصل کار آنها مشابه فرفره شماست.
پاسخ: بله، حتماً. این تبدیل در هواشناسی بسیار رایج است. برای تبدیل کیلومتر بر ساعت (km/h) به متر بر ثانیه (m/s) از فرمول ساده زیر استفاده کنید: $ \text{m/s} = \frac{\text{km/h}}{3.6} $ مثلاً باد 18 km/h تقریباً برابر است با 5 m/s (18 ÷ 3.6 = 5).
پاورقی
[1]انمومتر (Anemometer): وسیلهای برای اندازهگیری سرعت باد. این کلمه از ریشه یونانی "anemos" به معنای باد گرفته شده است.
