إجراء اختبار الرقاص البسيط

مدخل إلى الرقاص البسيط

الرقاص البسيط، والذي يعرف أيضًا بالبندول البسيط، هو نموذج مثالي في علم الفيزياء يتكون من جسم صغير (كتلة) معلق بخيط غير قابل للامتداد ومهمل الوزن. يتميز هذا الخيط بأنه حر وغير مرن، ويتحرك في مسار واحد دون وجود أي احتكاك. على الرغم من أن هذا النموذج يعتبر غير واقعي تمامًا، إلا أنه يستخدم بشكل شائع في التجارب العلمية لفهم المبادئ الأساسية للحركة التوافقية.

يتم شرح مبدأ عمل الرقاص البسيط غالبًا من خلال إجراء التجارب المعملية. في الفقرات التالية، سنستعرض بالتفصيل كيفية إجراء هذه التجربة والأهداف المرجوة منها.

الغايات من اختبار الرقاص البسيط

يهدف إجراء تجربة الرقاص البسيط إلى تحقيق ما يلي:

• فهم وتحليل حركة الرقاص البسيط.
• دراسة الحركة التوافقية البسيطة وخصائصها.
• اكتساب مفاهيم جديدة مثل الدورة، التردد، والسعة.
• استكشاف العلاقة بين الفترة الزمنية، التردد، السعة، وطول الرقاص البسيط.
• تقدير قيمة التسارع الناتج عن قوة الجاذبية الأرضية.

المستلزمات الضرورية لإجراء اختبار الرقاص البسيط

لإجراء تجربة الرقاص البسيط، يجب توفير الأدوات التالية:

• خيط متين وغير قابل للامتداد.
• كرة معدنية صغيرة (أو أي جسم صغير يمكن تعليقه بالخيط).
• خطاف لتعليق الخيط.
• ساعة توقيت لقياس الزمن بدقة.
• ورنية (Vernier caliper) أو أداة قياس دقيقة.
• حامل بقاعدة ثابتة لتثبيت الخطاف.

الخطوات الإجرائية لتجربة الرقاص البسيط

لإجراء التجربة، يجب أولاً تحضير الرقاص البسيط ثم اتباع الخطوات التالية:

أولًا: تحضير الرقاص

يتم تحضير الرقاص البسيط عن طريق:

1. ربط الكرة المعدنية بإحكام في نهاية الخيط.
2. عمل حلقة صغيرة في الطرف الآخر من الخيط.
3. تثبيت الخطاف في قطعة خشبية أو أي سطح ثابت.
4. وضع القطعة الخشبية على طرفي كرسيين أو أي دعامة أخرى بشكل متوازن.
5. تعليق الحلقة المصنوعة في الخطاف.

ثانيًا: تنفيذ التجربة

لتنفيذ التجربة:

1. اعتبار الكرة المعدنية بمثابة كتلة نقطية تقع في مركزها. الإشارة إلى نقطة التعليق بالرمز S، والمركز بالرمز G. المسافة بين نقطة التعليق والمركز تساوي L، حيث (L=l+h+r)، حيث l هو طول الخيط، وh هو طول الخطاف، وr هو نصف قطر الكرة.
2. قياس نصف القطر r باستخدام الورنية.
3. قياس طول الخطاف h.
4. ضبط طول الخيط بحيث تكون المسافة بين نقطة التعليق والمركز (L) عددًا صحيحًا.
5. تمييز الطول الجديد بالرمز M1.
6. تحديد الرموز M2 و M3 على مسافات متساوية على طول مسار حركة الرقاص.
7. تثبيت قطعتي فلين في المشبك بزاوية 90 درجة على طول مسار تأرجح الرقاص.
8. تثبيت المشبك في الحامل ووضعه على طاولة المختبر بحيث تكون الكرة المعدنية معلقة 2 سم فوق قاعدة الحامل.
9. تحديد نقطة سكون الكرة بالرمز A أسفل الكرة مباشرة.
10. رسم خط بطول 10 سم بحيث تكون النقطة A هي المركز على مسار البندول.
11. إزاحة الرقاص إلى اليمين من النقطة A وتسمية هذه النقطة بالنقطة B ثم تركه ليعود إلى المركز ثم يتجه نحو النقطة C يسار المركز مع التأكد من عدم دوران الكرة.
12. عد الذبذبات (عدد مرات التأرجح). الذبذبة الواحدة تعادل الذهاب والإياب معًا. انتظر حتى يكمل الرقاص 20 ذبذبة.
13. إيقاف الساعة عند الانتهاء من 20 ذبذبة وتكرار التجربة 3 مرات.
14. زيادة طول الخيط بمقدار 10 سم (النقطة M2) وتكرار التجربة.
15. تكرار الخطوات لأربعة أطوال مختلفة للخيط.
16. تسجيل البيانات في جدول يتضمن طول الخيط (l+h)، الطول الفعلي L، الزمن في الثلاث مرات لكل طول، متوسط الوقت، والزمن الدوري. إجراء الحسابات المطلوبة وفقًا للجدول والمعادلات.

الخلاصة من تجربة الرقاص البسيط

من خلال إجراء التجربة، يتضح أن الفترة الزمنية للرقاص تزداد مع زيادة طول الخيط. وأن العوامل المؤثرة على الزمن الدوري للبندول هما كل من طول الخيط والتسارع الناتج عن الجاذبية الأرضية فقط وذلك وفق المعادلة الآتية:

T = 2π√(L/g)

حيث g هي تسارع الجاذبية.

قوله تعالى: ﴿وَالشَّمْسُ تَجْرِي لِمُسْتَقَرٍّ لَهَا ذَلِكَ تَقْدِيرُ الْعَزِيزِ الْعَلِيمِ﴾ [يس: 38]، يوضح لنا دقة النظام الكوني الذي يعمل بمقادير محددة، تمامًا كما في تجربة الرقاص البسيط.