كيفية عمل تجربة البندول البسيط
البندول البسيط (بالإنجليزية: Simple Pendulum) هو عبارة عن بندول مثالي يتكون من كتلة معلقة بخيط عديم الوزن، وما يميز هذا الخيط كونه حرّ وغير مرن، يتأرجح في اتجاه واحد دون إحداث أي احتكاك، وهو غير حقيقي بالفعل، إلا أنه يتم صنعه عبر كتلة معلقة بخيط لإجراء التجربة العلمية وفهم المبدأ، وعادة ما يتم شرح مبدأ البندول البسيط من خلال القيام بالتجربة في المختبر، وفيما يلي شرحها:
أهداف تجربة البندول البسيط
إن الأهداف الرئيسية من إجراء تجربة البندول البسيط ما يأتي:
- دراسة حركة البندول البسيط.
- دراسة الحركة التوافقية البسيطة.
- تعلّم مصطلحات جديدة مثل؛ الدورة، والتردد والسعة.
- التعرّف على العلاقة بين كل من الفترة والتردد والسعة وطول البندول البسيط.
- تحديد قيمة التسارع الناتج عن قوة الجاذبية.
الأدوات اللازمة لإجراء تجربة البندول البسيط
فيما يأتي قائمة بالأدوات اللازم تحضيرها لإجراء تجربة البندول البسيط:
- خيط.
- كرة معدنية (أو أي قطعة أخرى يمكن ربطها في الخيط).
- خطّاف.
- ساعة توقيت.
- ورنية أو (كليبر) أو (مسماك).
- حامل له قاعدة.
خطوات تجربة البندول البسيط
بداية يجب صنع البندول البسيط ثم يتم تطبيق التجربة، وفيما يأتي الخطوات بالتسلسل:
يتم صنع البندول البسيط من خلال الخطوات الآتية:
- ربط القطعة المعدنية في نهاية الخيط.
- صنع حلقة في الطرف الآخر من الخيط.
- ربط الخطّاف بقطعة الخشب.
- وضع قطعة الخشب على طرف كل من الكرسيين بشكل متوازن.
- وضع الحلقة التي تم صنعها في الخطاف.
بدايةً يتم اعتبار الكرة المعدنية على أنها كتلة نقطية تقع في مركزها، كما يُشار إلى نقطة التعليق بالرمز S، والمركز G، والمسافة بين نقطة التعليق والمركز L والتي تساوي (L=l h r)؛ حيث إنّ l طول الخيط، وh طول الخطاف، وr نصف قطر الكرة ، وفيما يأتي خطوات التجربة بالترتيب:
- قياس نصف القطر r باستخدام الورنية.
- قياس طول الخطّاف h.
- ضبط طول الخيط ليتم حساب المسافة بين نقطة التعليق والمركز وفق المعادلة (L=l h r) لتكون عددًا صحيحًا حيث إن طول نصف القطر وطول الخطاف تم حسابهما.
- تمييز الرقم الجديد بالرمز M1 بالحبر؛ حيث يمكن قياس المسافة بين M1 ونقطة الاتصال بين الخطاف والكرة لحساب l h مباشرة.
- تحديد الرموز M2 وM3 وهكذا ضمن مسافات متساوية على طول الخط الذي سيسير عليه البندول.
- شد قطعتي الفلين في المشبك بحيث تكون الزاوية 90 درجة على طول الخط الذي يتأرجح فيه البندول.
- تثبيت المشبك في الحامل ووضعه على طاولة المختبر بحيث تكون الكرة المعدنية معلقة 2 سم أعلى قاعدة الحامل.
- تحديد نقطة سكون الكرة بالرمز A أسفل الكرة مباشرة.
- رسم خط بطول 10 سم بحيث تكون النقطة A هي المركز وذلك على مسار البندول.
- تحريك البنادول إلى اليمين من النقطة A وتسمية هذا النقطة بالنقطة B ثم تركه ليعود إلى المركز ثم يتجه نحو النقطة C يسار المركز مع أهمية أن لا تدور الكرة.
- عدّ التذبذبات أو عدد المرات التي يتأرجح بها البندول وانتظار أن يكمل 20 ذبذبة حيث إن الذبذبة الواحدة هي الذهاب والإياب معًا (LL2, L2L,LL1,L1L) بهذه الطريقة سيكمل تذبذبًا واحدًا.
- إيقاف الساعة عند الانتهاء من 20 تذبذب ثم تكرار التجربة 3 مرات.
- زيادة طول الخيط بمقدار 10 سم مثلًا وهي النقطة M2 وعمل التجربة.
- تكرار الخطوات لـ 4 أطوال مختلفة.
توثيق المعلومات في جدول التجربة بحيث يتم وضع طول (l h)، الطول الفعلي L، الزمن في الثلاث مرات لكل طول، معدل الوقت، الزمن الدوري، ثم القيام بالحسابات المطلوبة وفق الجدول المدرج في المرجع والمعادلات أسفله.
نتيجة تجربة البندول البسيط
من خلال القيام بالتجربة اتضح أن البندول يحتاج وقت أطول عند زيادة طول خيط البندول، 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.
