تجربة علمية باستخدام الهاتف الذكي: مقياس التسارع

المفاهيم الأساسية

علم الفيزياء

الحركة

الوضع

السرعة المتجهة

التسارع

القياس

مقدمة

هل سبق لك أن لعِبت إحدى ألعاب الفيديو بذراع تحكمٍ تستخدم منظومة تحكُّم في الحركة؟ هل تساءلت ذات مرة كيف أن هاتفك الذكي «يعرف» -على ما يبدو- أحيانًا ما إذا كنت تتحرك أم لا؟ كيف تقيس هذه الأجهزة الإلكترونية الحركة؟ جرِّب هذا النشاط كي تعرف الإجابة!

معلومات أساسية

الأرجح أنك تعرف الوحدات التي نستخدمها في قياس المسافة والسرعة المتجهة. في الولايات المتحدة قد نقول إن شخصًا ما يبلغ طوله خمسة أقدام و11 بوصة (وهذا قياس للمسافة)، أو إننا نقود السيارة بسرعة 55 ميلًا في الساعة على الطريق السريع (وهذا قياس للسرعة المتجهة، وهي وحدة للمسافة المقطوعة خلال مقدار زمني معين). كما يَستخدم العلماء النظام المتري الذي يقيس المسافة بالأمتار (م) والسرعة المتجهة بالأمتار المقطوعة في الثانية (م/ث).

وحتى يصل الجسم إلى سرعة متجهة معينة، سيحتاج في أغلب الأحيان إلى زيادة سرعته أو التقليل منها. وقد تَستخدم الفعل «يتسارع» لتصف شيئًا تزداد سرعته (مثل سيارة تتحرك بعد التوقف في إشارة المرور الحمراء)، أو الفعل «يتباطأ» لتصف شيئًا تتناقص سرعته (مثل سيارة حال الضغط على مكابحها). بمقدورنا استكشاف هذه الأفكار بمزيدٍ من التعمق. فبينما تقيس السرعة المتجهة معدل تغيُّر المسافة، يقيس التسارع معدل تغيُّر السرعة المتجهة بالنسبة للزمن. وهذا يجعل وحدات قياس التسارع تبدو غريبةً نوعًا ما: المتر لكل ثانية مربعة، أو بعبارة أخرى «الأمتار المقطوعة لكل ثانية تربيع» (م/ث²). وإذا كان الجسم يتحرك بسرعة متجهة ثابتة، مثل السيارة عند استخدام مُثبِّت السرعة على الطريق السريع، فإن التسارع يساوي صفرًا. وإذا تغيرت السرعة المتجهة بأي مقدار، فإن التسارع لا يساوي صفرًا حينئذٍ. على سبيل المثال، إذا توقفت السيارة عند إشارة توقف، فإن سرعتها تساوي 0 م/ث. وإذا تسارعت بحيث بلغت سرعتها المتجهة بعد مُضي ثانيتين 10 م/ث، فإن هذا معناه أن تسارعها كان 5 م/ث². أيضًا بإمكان ركاب القطار الأفعواني في الملاهي الشعور بتسارع يصل إلى 60 م/ث² تقريبًا، بينما قد يشعر طيارو الطائرات النفاثة بتسارع يصل إلى 90 م/ث² لفترات وجيزة من الوقت! لا تقلق إذا بدا كل هذا مربكًا؛ فبإمكانك التفكير في التسارع بوصفه مقدار التغير الذي تزيد به سرعة الجسم أو تتناقص (في حال تناقُص سرعته، سيكون الرقم سالبًا).

ما علاقة كل هذا بالهواتف الذكية وأذرع التحكم في الألعاب الإلكترونية؟ من الممكن قياس التسارع بواسطة جهاز إلكتروني صغير يُسمى مقياس التسارع. غالبية الهواتف الذكية في وقتنا الحالي مزودة بمقاييس تسارُع مدمجة، ويمكنها تشغيل تطبيقات تعرض قراءات مقياس التسارع. لذا إذا أردت استكشاف الحركة في العالم من حولك، فكل ما ستحتاج إليه هو هاتف ذكي!

المواد المستخدمة

• هاتف ذكي أو حاسب لوحي مزود بإمكانية الولوج إلى الإنترنت، مع السماح بتنزيل التطبيقات وتثبيتها.
• سطح مرن، كوسادة أو فراش أو أريكة.
• شخص بالغ (كي يساعدك في التحقُّق من التطبيق وتنزيله).
• إمكانية استخدام ملعب خارجي (اختياري).
• شريط فيلكرو لاصق (أو أي طريقة أخرى) لتثبيت الهاتف إلى ذراعك أو ساقك (اختياري).
• مركبة لقيادتها أو الركوب فيها، كدراجة أو سيارة أو حافلة.. إلخ (اختياري).

التحضير

• اطلب من شخص بالغ مساعدتك في البحث عن أحد تطبيقات «مقياس التسارُع» وتنزيله على هاتفك الذكي أو حاسبك اللوحي. هناك العديد من الخيارات المجانية المتاحة، لكن بعض التطبيقات قد يحتوي على إعلانات، أو قد يكون خيار الشراء من داخل التطبيق مُفعَّلًا فيه.
• تعرَّف على تطبيق مقياس التسارُع الذي قمت بتنزيله. بعض التطبيقات سيكتفي بإظهار رقم على الشاشة، في حين يُظهر البعض الآخر عدَّادًا أو رسمًا بيانيًّا. سيكون التطبيق الذي تستطيع من خلاله تسجيل البيانات والتوصل أوتوماتيكيًّا إلى القيم العُظمى والصُغرى مناسبًا لهذا المشروع.
• تعرض غالبية تطبيقات مقياس التسارع ثلاث قراءات للتسارع، لها مسميات مثل X وY وZ. وهذه القراءات ستتوافق مع حركة هاتفك في المكان ثلاثي الأبعاد.
• في المعتاد إذا وضعت هاتفك أُفقيًّا على طاولة بحيث تكون الشاشة لأعلى، سيكون اتجاه التسارع X خاصًّا بأي حركة من اليسار إلى اليمين، واتجاه التسارع Y خاصًّا بأي حركة لأعلى أو لأسفل الهاتف، واتجاه التسارع Z خاصًّا بأي حركة فوق الهاتف أو تحته (أي فوق سطح الطاولة أو أدناه).
• قد تمنحك بعض التطبيقات خيار الجمع بين القراءات الواردة من الاتجاهات الثلاثة، وستعرض التسارع المُجمَّع أو الإجمالي.
• تأكَّد من أن التطبيق يعمل: من المفترض أن ترى تغييرًا في الأرقام إذا حرَّكت هاتفك.

الخطوات

• قِسْ تسارُع الحركات «المعتادة» التي تؤديها خلال نشاطك اليومي. احمل الهاتف في يدك أو ضعه في جيبك، في أثناء سيرك، وجلوسك، ونهوضك من مقعدك، وصعودك السلم أو هبوطه، وما إلى ذلك من حركات. ما مقدار التسارعات التي تقيسها؟
• بعد ذلك، قِسْ تسارعات الحركات «السريعة». جرِّب القفز أو الركض أو الدوران حول نفسك أو التلويح بذراعيك (احترس كي لا تُسقِط هاتفك!)، ما مقدار هذه التسارعات؟
• جرِّب إلقاء الهاتف من مسافة قصيرة على سطح رخو، كالوسادة أو الفراش أو الأريكة. ما مقدار التسارع عندما يرتطم هاتفك بالأرض؟ هل تعتقد أن التسارع سيكون أكبر لو سقط الهاتف من مكان أعلى أو لو هبط على سطح صلب؟ (لا تُجرِّب هذا!)
• إلى أي مدى تجد صعوبةً في التحرُّك بسرعة متجهة ثابتة؟ ضع الهاتف على طاولة وجرِّب دفعه في الاتجاه X أو Y. هل يمكنك الإبقاء على قراءة التسارع المكافئة عند الرقم صفر؟
• نشاط إضافي: جرِّب إمالة الهاتف من دون تحريكه. هل تتغير قراءات التسارع تبعًا لطريقة إمالتك للهاتف؟

• نشاط إضافي: خذ قراءات التسارع في أثناء وجودك في الملعب. ما الذي يحدث عندما تهبط على الزلاجة، أو تتأرجح على الأرجوحة، أو تصعد على سُلم التسلق؟ ما المواضع التي تشعر عندها بأكبر قدر من التسارع؟

• نشاط إضافي: خذ قراءات التسارع عند أجزاء مختلفة من جسدك. يمكنك استخدام شريط فيلكرو اللاصق (أو أي نوع آخر) كي تربط الهاتف بذراعك أو ساقك. في أي جزء من جسدك تشعر بأكبر قدر من التسارع عندما تركض؟ وفي أي جزء منه تشعر بأقل قدر من التسارع؟

• نشاط إضافي: خذ القياسات في أثناء ركوبك إحدى المركبات. ما هي قراءات التسارع في أثناء ركوبك دراجةً أو سيارةً أو حافلة؟ (لا تنظر إلى الهاتف في أثناء ركوبك!)

المشاهدات والنتائج

يُفترض بك أن تقيس التسارع بسهولة وصولًا إلى 10 م/ث² وأنت تؤدي حركاتك العادية بينما تُمسك بهاتفك. تستطيع الهواتف الذكية وأجهزة رصد النشاط البدني وعدَّادات الخطوات تتبُّع التغيرات في هذه التسارعات من أجل حساب عدد الخطوات التي قطعها الشخص خلال اليوم.

ربما يكون التسارع أعلى قليلًا إذا وضعت هاتفك في جيبك بدلًا من إمساكه في يدك؛ لأنه سيتقافز بمعدل أكبر. ومن الممكن أن تؤدي الحركات الأسرع -مثل التلويح بالهاتف- إلى تسارُعات تزيد على 50 م/ث²، وهو ما يقارب التسارعات التي يشعر بها راكبو القطار الأفعواني بالملاهي. وبعض الأجهزة الإلكترونية -كالحاسبات المحمولة- لها بالفعل «كاشف سقوط»، وتنطفئ أوتوماتيكيًّا؛ حتى لا تتلف إذا ما رصدت تسارعًا أعلى مما ينبغي. (مجددًا، لا تُجرِّب هذا!)

وقد تصيبك الحيرة إذا اكتشفت أن بإمكانك إحداث تغيير في قراءة التسارع فقط عن طريق إمالة هاتفك. فبرغم كل شيء، الهاتف لا يتحرك، وسرعته المتجهة تساوي صفرًا، لذا أليس من المفترض أن يساوي التسارع صفرًا بالمثل؟ يحدث هذا لأن مقياسات التسارع ترصد أيضًا التسارع الناتج عن الجاذبية، التي تعادل 9.8 م/ث². ومع إمالتك هاتفك، يتغير اتجاه الجاذبية بالنسبة لجسم الهاتف. وحتى إذا كان الهاتف ثابتًا، فسيجعل هذا قراءات التسارع في الاتجاهات X وY وZ مختلفةً بناءً على الاتجاه الذي يشير إلى الأسفل من هذه الاتجاهات الثلاثة. هذه هي الطريقة التي تعمل بها أجهزة التحكم في الحركة في الألعاب الإلكترونية (على سبيل المثال، إمالة جهاز التحكم من أجل توجيه مقود السيارة في لعبة سباق).