الحجر المتدحرج - الخلفية العلمية

كيف يمكن لمضخة ماء صغيرة أن ترفع صخرة وزنها 6 طن؟

في 26 ديسمبر 2006 أبلغناكم عن كرة حجرية ضخمة تزن 6 أطنان وتطفو على سطح الماء جاءت من الصين إلى متحف العلوم في القدس ويمكن لأي طفل أن يدورها. لقد تلقينا استفسارات عبر الرد والبريد الإلكتروني حول كيفية حدوث هذه المعجزة. قمنا بالتواصل مع إدارة المتحف وتلقينا الرد التالي:

كيف يمكن لمضخة ماء صغيرة أن ترفع حجراً وزنه 6 طن؟ الجواب يكمن في الضغط، فالضغط الصغير الذي يؤثر على مساحة كبيرة يبذل قوة كبيرة تكفي لرفع الحجر. لنفترض، على سبيل المثال، أن قوة مقدارها 10 نيوتن تؤثر على كل سنتيمتر مربع (قوة تساوي وزن كيلوغرام واحد) وأن المساحة الإجمالية تساوي 50 سنتيمتر مربع، فإن القوة الإجمالية ستكون 500,000 نيوتن (تساوي وزن 50 طنا!). القوة المؤثرة على المنطقة تساوي في الواقع ناتج الضغط على المنطقة.
من يمارس الضغط؟ يمارس الهواء ضغطًا ويمارس الماء ضغطًا أيضًا. إن الضغط الذي يمارسه الهواء يساوي تقريبًا وزن كيلوجرام واحد لكل سنتيمتر مربع (ضغط جوي واحد). لماذا لا نشعر بهذا الضغط؟ وعادة ما يؤثر الضغط على الأجسام بشكل متوازن من جميع الجهات بحيث لا يشعر بأثره. ولكن إذا كان الضغط على أحد جانبي جسم معين أكبر من الضغط المؤثر على الجوانب الأخرى، فسوف تؤثر قوة يمكنها تحريك حتى الأجسام الثقيلة جدًا. يمكن العثور على دليل على القوة التي يمكن أن يمارسها الهواء عن طريق ضخ الهواء من زجاجة مشروب غازي فارغة. عادة ما يكون ضغط الهواء خارج الزجاجة مساوياً للضغط الموجود بداخلها. عندما يختل التوازن (بسبب الشفط)، يبذل الهواء الموجود خارج الزجاجة قوة أكبر باتجاه داخل الزجاجة ويتم سحق الزجاجة.
تعمل المكابس الهيدروليكية، مثل تلك المستخدمة في المصاعد (والموجودة في المتحف)، على نفس المبدأ: الضغط المؤثر على مساحة كبيرة من المكبس يؤدي إلى استخدام قوة كبيرة يمكنها رفع المصعد. نفس المبدأ، ولكن في الاتجاه المعاكس، يسمح للشخص العادي بالاستلقاء على سرير من المسامير دون التعرض للأذى. ويتوزع وزنه على عدد كبير من المسامير بحيث لا يؤثر كل واحد منها إلا بقوة بسيطة على جسد الفقير، وهي قوة لا تكفي لاختراق جلده. سيكون من الصعب جدًا إقناع الفقير بالاستلقاء على سرير من المسامير بمسمار واحد فقط.
يتم وضع حجرنا المتدحرج على محيط "صحن" حجري. يتم ضخ الماء في "الصحن" ويملأه، مما يخلق نوعًا من البركة تحت الحجر. يزداد الضغط في البركة الناتجة حتى تصبح القوة المطبقة على الحجر كبيرة بما يكفي لرفعه. المنطقة الموجودة في أسفل الحجر والتي يعمل عليها ضغط الماء كبيرة بما يكفي لرفع الحجر بضغط 0.8 ضغط جوي (حوالي 800 جرام لكل سنتيمتر مربع). وللمقارنة فإن ضغط الماء الذي يصل إلى منازلنا يبلغ حوالي 3-4 أجواء. عندما يرتفع الحجر قليلا، ينفجر الماء من خلال الشق الضيق الذي حدث في محيط "الصحن"؟ ويتم الحفاظ على الضغط اللازم لإبقاء الحجر "عائمًا" على "سجادة" رقيقة من الماء (الحجر بالطبع لا يطفو وفقًا لقانون أرخميدس للطفو).
في الحالة التي تم إنشاؤها، يكون الاحتكاك بين الحجر والماء صغيرًا جدًا ومن الممكن قلب الحجر يدويًا. ومن المفهوم أن الكتلة الكبيرة للحجر تعني أن هناك حاجة إلى قدر كبير من القوة على مدى فترة طويلة من الزمن لبدء دورانه أو تغيير اتجاه دورانه أو إيقافه.
 

التسمية التوضيحية التي تظهر بالقرب من المعرض في متحف العلوم 

كرة حجريةوعلى الرغم من أن وزن كرة الجرانيت يبلغ ستة أطنان، إلا أنه يمكن تدويرها في أي اتجاه.
تقع الكرة على محيط صحن حجري. الماء "المدفوع" إلى الصحن يملأه ويخلق بركة تحت الحجر. عندما "تدفع" الماء بقوة أكبر، يزداد الضغط، حتى تصبح القوة المطبقة على الكرة الحجرية كبيرة بما يكفي لرفعها قليلاً. وعندما يرتفع الحجر قليلاً، يتم دفع الماء عبر الشق الضيق بين الكرة ومحيط الصحن، ويتم الحفاظ على الضغط اللازم لإبقاء الحجر "عائماً" على الماء.
في الوضع الذي تم إنشاؤه، لا يوجد تقريبًا أي احتكاك بين الحجر والماء ويمكنك قلب الحجر يدويًا. تتطلب الكتلة الكبيرة للحجر تطبيق القوة، وببطء ستتوقف الكرة أو تغير اتجاه دورانها. 
شكرًا لديا بروكمان، المتحدثة باسم متحف العلوم