הפיזיקה של הנפילה – חקר חיפויי קרקע שונים

פתיחה - גני שעשועים מאפשרים לילדים משחק חופשי, ואפשרות לקחת סיכונים, לטפס לגובה, להתגלש או להסתחרר במהירות, לרוץ וכו'. בארה"ב לבדה, מעל 200,000 ילדים מתאשפזים בבתי חולים מדי שנה, כתוצאה מפגיעות שחוו בגני שעשועים, כשלמעלה מ-70% מהפגיעות הן כתוצאה מנפילה. נשאלת השאלה איך שומרים על הילדים בעת המשחק בגן השעשועים? המשימה שלנו היא להפחית את עצמת ההתנגשות ברצפה בעת נפילה. אנחנו מגדירים נפילה כשחפץ כלשהו נופל נפילה חופשית, אנחנו יכולים לחשב את המהירות שהוא נופל, את התאוצה שלו, את האנרגיה שהוא נושא, אבל הרבה יותר קשה לחשב את עצמת הנפילה.

הדגמה: כדור עצוב, כדור שמח:

-        להציג לתלמידים שני כדורים שחורים שנראים זהים לחלוטין, ובעלי משקל דומה (אפשר לתת לילדים למשש ולהרגיש אותם).

-        המורה מפיל/ה את הכדורים באותו זמן. כדור אחד קופץ והשני נשאר על הרצפה. דוגמה

-        התלמידים מעלים השערות להבדל בין הכדורים - הכדורים עשויים מחומרים שונים. כדור הקופץ עשוי מגומי סינתטי (נאופרן), והכדור השני עשוי מחומר מיוחד שסופג את                          האנרגיה (polynorborene) שגורם לו ליפול בלי לקפוץ בכלל.

המשך חקירה: מדוע הכדור שקופץ – קופץ? מה קרה לאנרגיה של הכדור ה"עצוב"? מסקנה: אנחנו רואים שההתנגשות ברצפה תלויה בגורמים נוספים – בסוג החומר ובסוג המשטח, והרבה יותר מסובך לחקור אותה.

במה תלויה עצמת ההתנגשות? התלמידים עושים ניסוי מחשבתי בו בשלב הראשון הם מדמיינים שמניחים להם כדור באולינג על הרגל. מה תרגישו? כאב, לחץ... אבל כנראה שהרגל לא תישבר. הכוח מופעל על הרגל שלנו כתוצאה מהמשקל של הכדור. בשלב הבא הם מדמיינים שמפילים את הכדור על הרגל שלהם מגובה המותן. מה תרגישו עכשיו? תחושה שהכוח המופעל גדול פי כמה. הנפילה מהגובה העניקה לכדור אנרגיה קינטית. הכוח שיופעל על הרגל יהיה כואב מאד ועשוי גם לגרום פגיעה ממשית. ההסבר הוא שהאנרגיה הקינטית "מיתרגמת" לכוח רב יותר שמופעל על הרגל שלנו. אבל אם היינו שמים שכבת ספוג מעל הרגל הספוג "סופג" את האנרגיה הקינטית. למעשה הוא מאט את הנפילה בכך שהוא נמעך, והמעיכה הזו מאטה את ה"אירוע" של הנפילה (הנפילה נמשכת על פני יותר זמן) וגורמת לכך שהאנרגיה שהכדור צבר במהלך הנפילה משתחררת בפרק זמן ארוך יותר.

ניסוי (רשות)- זריקת ביצה על יריעה מתוחה : זריקת ביצה על קיר ודאי תפוצץ אותה.. מה יקרה אם נזרוק ביצה על יריעה מתוחה? (הפתעה! הביצה לא נשברת). ההסבר קשור לכך שה"אירוע" של פגיעת הביצה מתארך, כלומר במקום שכל האנרגיה שהביצה צברה במעופה תומר לכוח בשבריר שניה, זה קורה על פני פרק זמן ארוך יותר ולכן הכוח המופעל קטן יותר, ולא מספיק על מנת לשבור את הביצה.

שאלת המחקר: איזה משטח הכי מתאים לריצוף סביב מתקנים בגן השעשועים. מחלקים את קבוצה לקבוצות ומבקשים מהם לחשוב על מערכת ניסוי לבדיקת בלימת הזעזועים של משטחים שונים.

בדיקת נפילה של חפץ על גבי משטחים שונים:

-        השיטה שאנחנו נשתמש בה היום היא בעזרת ציוד מעבדה, ערכה שמשתמשת בחיישן כוח שנמצא בתוך פלטה, שמודד את עוצמת הכוח המופעל על הפלטה.

-        נניח על הפלטה תבנית שלתוכה נכניס חומרים שונים ונפיל כדור בעל מסה ידועה ומגובה קבוע ונבדוק את עצמת הפגיעה בכל אחת מהפעמים.

-        התלמידים מציעים חומרי גלם שונים אפשריים. נשים לב שיש חומרים גרגריים (loose fill) ויש חומרים מאוחדים (unitary).

-        ניתן לבדוק עומק מילוי של חומרים גרגריים (למשל חול), אפשר להשוות בין גודל הגרגרים או סוגי משטחים שונים ואפשר לבדוק את תגובת המשטחים לגובה ממנו מפילים את האובייקט.

-        התלמידים מתחלקים לקבוצות, וכל קבוצה בודקת תכונה מסוימת, מנסחת שאלת מחקר ומעלה השערה. ראו ציוד והסבר על אופן הניסוי בנספח 3

-        דיון - איזה משטח בולם זעזועים באופן מיטבי? מה החסרונות של המשטח?

בבדיקה שאנחנו ביצענו מדדנו את הכוח שהפעיל הכדור על המשטח (ביחידות של ניוטון). שימו לב לכוח שנמדד על המשטח כתוצאה מהנפילה. איזה כוח נחשב מסוכן? זו שאלה קצת מורכבת – יש כל מיני גורמים שמשפיעים על כך, ונזכור שכדור לא מדמה באופן מדויק נפילה של ילדים.

כיצד בודקים ריצוף בגני שעשועים? בדיקות של משטחי הריצוף הן מאד חשובות כדי לוודא שבמקרה של נפילה תיגרם פגיעה בעוצמה לא קטלנית. כאשר בודקים ריצוף של מתקנים – מפילים אימום במשקל של כ-4 ק"ג עם חיישני תאוצה בתוכו על מנת לבדוק את עצמת הנפילה. המטרה היא לדמות נפילה של ילד/ה. המשטחים בגן השעשועים צריכים להתאים לעוד ייעודים. גורמים נוספים המשפיעים על הבחירה בסוגי המשטחים השונים לגני שעשועים הם שיקולי עלות, עמידות, היגיינה, קלות תחזוקה, מניעת החלקה, עמידות למים ופגעי מזג אוויר ועוד. האם המשטח שלכם עומד בתנאים הללו? ומה לגבי נגישות? האם המשטח שבחרתם מתאים למעבר של כסאות גלגלים?

שאלה לסיכום: איזה משטח הייתם בוחרים אם אתם הייתם צריכים לבנות גן שעשועים?

פעילות המשך אפשרית: מבצעים את "אתגר הביצה" בגן השעשועים כאשר לוקחים בחשבון את הדברים שלמדנו ביחידה הזו.