گام به گام فعالیت 5-6 صفحه 142 درس 5 فیزیک (1) رشته ریاضی (ترمودینامیک)

قایق پوت-پوت، نوعی قایق اسباب بازی است که اساس کار آن مانند ماشین های برون سوز است. در مورد این قایق های اسباب بازی تحقیق کرده و سعی کنید آن را بسازید.

شاید قایق پوت پوت ساده ترین ماشین بخاری باشد که تا به حال دیده اید. این ماشین، سیلندر، پیستون، میل لنگ، سوپاپ های ورود و خروج بخار و .... ندارد ولی در آن چرخه ای مشابه چرخه ماشین بخار رخ می دهد و این چرخه کار مکانیکی مورد نیاز برای به حرکت درآوردن قایق در یک استخر یا حوض آب را تامین می کند.

می توانید برای ساختن قایق از یک بطری پلاستیکی استفاده کنید. بطری را مطابق شکل طوری از وسط نصف کنید که هر نیمه آن شبیه یک قایق کوچک باشد. یک لوله مسی به قطر تقریبا 3 میلیمتر و طول تقریبا 70 سانتی متر (بسته به بزرگی و کوچکی قایق) تهیه و آن را مطابق شکل خم کنید. (این نوع لوله را می توانید از تعمیرگاه های یخچال بخرید) برای درست کردن بخش پیچه ای شکل در خم این لوله، می توانید لوله را دور یک میله بپیچانید. دو سوراخ کوچک در انتهای قایق ایجاد کنید و دو سر لوله مسی را مطابق شکل از این دو سوراخ عبور دهید. دقت کنید سوراخ ها خیلی کوچک باشند طوری که وقتی دو سر لوله مسی را از آنها عبور می دهید، سوراخ ها به خوبی مسدود شوند و وقتی قایق روی آب قرار می گیرد، آب از کناره های این سوراخ ها وارد قایق نشود. کی شمع تزیینی که درون استوانه آلومینیومی کوچکی قرار دارد را مطابق شکل، زیر قسمت پیچه مانند لوله مسی قرار دهید، طوری که وقتی شمع روشن شد پیچه را داغ کند. لوله مسی ر کاملا از آب پر کنید. به این منظور می توانید یک سر لوله را درون آب قرار دهیدو از سر دیگر لوله، هوای درون لوله را بمکید. با مکیدن هوای درون لوله، آب کل لوله را پر می کند. دو انتهای لوله را با انگشتانتان بگیرید و قایق را طوری در آب قرار دهید که دو انتهای لوله کاملا درون آب باشد. اکنون شمع را روشن کنید. مدتی طول می کشد تا آب داخل بخش پیچه ای شکل لوله به اندازه کافی داغ و بخار شود. حالا قایق به راه می افتد. با نگاه دقیق به حرکت قایق، مشاهده امواج آب که در محل دو انتهای لوله مسی تشکیل می شود، گوش دادن به صدای قایق و ... متوجه می شوید که حرکت قایق به صورت بریده بریده و منقطع انجام می شود. در واقع در هر ثانیه، چند ضربه به قایق وارد می شود و با هر ضربه قایق کمی به جلو می جهد. اگر انگشتانتان را پشت دو انتهای لوله و درون آب قرار دهید و البته با این کار مزاحم حرکت قایق نشوید، این ضربه ها را احساس خواهید کرد.

ولی این قایق چگونه کار می کند؟

وقتی آب داخل قسمت پیچه ای شکل لوله داغ و بخار می شود، این بخار پرفشار، آب درون دو ساق لوله را از دو انتهای لوله، به سرعت و با فشار زیاد، به صورت دو جت آب به بیرون می راند. عکس العمل نیرویی که بخار پرفشار به این دو جت آب وارد می کند، باعث جهش رو به جلوی قایق می شود. وقتی بخار داغ منبسط می شود، کمی سرد می گردد (انبساط سریع و بی دررو)، به علاوه اینکه بخار وارد بخش سرد لوله مسی، یعنی دو ساق متصل به پیچه شده است. بخار در این بخش سرد، چگالیده و کم فشار می گردد. در واقع این بخش از لوله مسی شبیه چگالنده عمل می کند. چگالش بخار و کاهش فشار درون لوله سبب می شود آب از دو انتهای لوله به درون لوله مکیده شود. دوباره آب حاصل از چگالش بخار، وارد پیچه داغ می شود، بتدیل به بخار داغ و پرفشار می گردد و همه ماجرا از نو تکرار می گردد. هنگام مکش آب از دو انتهای لوله به داخل لوله، نیروی کوچکی در خلاف جهت حرکت قایق به قایق وارد می شود ولی این نیرو به مراتب کوچک تر از نیروی پیشران قایق است که در مرحله انبساط بخار درون پیچه و خروج جت های آب از دو انتهای لوله به قایق وارد می شود، لذا حرکت کلی قایق رو به جلو باقی می ماند. در واقع مکش آب از دو انتهای لوله به رون آن، به صورت جت آب نیست و به آرامی رخ می دهد.