كيف يمكنك تقديم المبادئ العلمية الأساسية بطريقة تجريبية ومسلية، مثل الضباب في الجرة؟ فيما يلي الفيزياء وراء معروضات المتحف المختارة
الحاوية الغرينية، غاليليو
نشرت في مجلة جاليليو، العدد 69، مايو 2004
كما هو الحال في كل عام، أقيم مهرجان عيد الفصح العلمي في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت. وهو حدث احتفالي ورائع، يجذب العديد من محبي العلوم والفضوليين من جميع الأعمار. إن كثرة ورش العمل والتنوع الكبير في العروض العلمية يعني أحيانًا أن زائر المهرجان يترك نصف شهوته في يده.
لقد تمت تجربة التجربة العلمية الملونة والمذهلة، ولكن ظلت العديد من الأسئلة دون إجابة، بسبب ضيق الوقت والحاجة إلى تكييف التفسيرات مع عامة الناس. الغرض من هذه القائمة هو التعمق أكثر في الفيزياء وراء بعض العروض التوضيحية المقدمة في المهرجان؛ هذه محاولة لإظهار كيفية تقديم المبادئ العلمية الأساسية بطريقة تجريبية ومسلية. يمكن (وهذا أمر موصى به) إعادة إنتاج بعض العروض التوضيحية بالوسائل المنزلية.
الجانب السهل
نفتتح بـ "الجانب الخفيف من الوزن"، وهو عبارة عن مجموعة من العروض التوضيحية الرائعة التي تتناول مفاهيم الوزن والجاذبية والضغط. لا ينام الهنود وحدهم على سرير من المسامير؛ في ورشة العمل هذه، يمكن للمشاهدين أيضًا تجربة ذلك، واكتشاف أن الجلوس على كرسي الأظافر يؤلم أقل من المتوقع. وإذا كانت الأظافر كثيفة بما فيه الكفاية، فإن ثقل الجسم يتوزع بينها ولا تخترق اللحم. لكن حاول أن تتخيل الجلوس على مسمار واحد! وهكذا نتعرف على مفهوم الضغط: الضغط هو قوة لكل وحدة مساحة. القوة - في هذه الحالة وزنك - تتوزع على العديد من المسامير، وبالتالي فإن الضغط ليس كبيرا.
إن شعورنا بالوزن يرجع في الواقع إلى حقيقة أننا نشعر بحمل على أرجلنا عندما نقف. الوزن هو القوة التي تؤثر بها الأرض علينا، وهي القوة التي تثبتنا بها على الأرض. هل يمكن أن يكون هناك موقف تمارس فيه الأرض قوة علينا، ولكننا مصممون على أن نكون عديمي الوزن؟ يوضح "قمع أينشتاين" (الصورة 1) هذا: الكرة المعلقة فوق جانب القمع مربوطة بمركز القمع بشريط مطاطي؛ يتم شد الشريط المطاطي بفعل وزن الكرة.
هل سيتناسب داخله؟
كيف يمكن (سأل أينشتاين بحسب الأسطورة) أن يضع الكرة في القمع بحركة واحدة بسيطة ودون لمس الكرة؟ الجواب بسيط بشكل مدهش: ارفع القمع ثم اتركه يسقط. عندما يكون القمع والكرة في حالة سقوط حر معًا، تصبح الكرة "عديمة الوزن" بشكل فعال، ثم يؤدي تمديد الشريط المطاطي إلى سحب الكرة مرة أخرى إلى القمع. من الواضح أن الكرة لها كتلة، لكن الشعور بالوزن يختفي. أدرك أينشتاين أن الشخص الذي يسقط سقوطًا حرًا لن يشعر بوزنه.
لو كنت في مصعد، وانقطع الكابل فجأة، سيكون الشعور هو نفس شعور شخص في المصعد بعيدًا عن أي جسم قد يمارس قوة الجاذبية (حتى لحظة اصطدامه بالأرض... ). يخطئ أحيانًا الاعتقاد بأن رواد الفضاء الذين يدورون حول الأرض يشعرون بانعدام الوزن لأنهم بعيدون عن الأرض لدرجة أنهم لا يشعرون بتأثير جاذبيتها؛ وفي الواقع فإن المسافة الإضافية للسفينة الفضائية من مركز محطة الفضاء الدولية تكون صغيرة بالنسبة إلى نصف قطر المحطة الفضائية الدولية، كما أن رواد الفضاء لا يشعرون بالوزن لأنهم والمركبة الفضائية التي يتواجدون فيها في حالة سقوط حر تحت تأثير الجاذبية الأرضية. مجال الجاذبية لمحطة الفضاء الدولية.
لماذا لا تسقط؟
لماذا لا يسقطون على الأرض؟ لأنها تمتلك في المقام الأول سرعة محيطية كافية لإبقائها في المدار (انظر شرح الحركة الدائرية في عمود "الفيزياء من الأساسيات" في العدد السابق). يمكن تحقيق شعور مماثل بانعدام الوزن - ويتم ذلك لتدريب رواد الفضاء - إذا سافرت على متن طائرة وتركتها وكل من فيها يسقطون سقوطًا حرًا. ولا علاقة له بالارتفاع الذي ترتفع إليه الطائرة؛ يوفر السقوط الحر، طالما استمر، شعورًا حقيقيًا بانعدام الوزن.
إحدى المنشآت الموجودة في حديقة العلوم هي "الترامبولين" والتي توضح انخفاض الوزن على سطح القمر (الصورة 2). على سطح القمر، وبسبب اختلاف كتلته ونصف قطره عن الأرض، تسود قوة جاذبية تعادل سدس قوة الأرض. يمثل الترامبولين بجانبه الخشبي المائل سطح القمر؛ ويتم حمل معظم الوزن بواسطة كابل يتم ربط المستخدم به، بحيث تكون قدميه حرة في المشي على "سطح القمر".
تحميل الكابل
سيؤدي ضرب سطح الشجرة إلى رفع الضارب إلى ارتفاع أعلى مما كان يمكن أن يحدث على الأرض، وسيكون الوقت حتى ضرب الأرض أطول. تم تصميم المنشأة بحيث يكون الحمل على الأرجل مساوياً لسدس وزن المستخدم؛ إذا كان الأمر كذلك، ما هو الحمل الذي يحمله الكابل؟ الاتجاه المباشر هو الإجابة على أنه إذا كانت الأرجل تحمل سدس الوزن، فإن الكابل يحمل الخمسة السداسية المتبقية؛ لكن توحيد القوى يتم بطريقة مختلفة. ويجب أن نأخذ في الاعتبار اتجاه القوة، وعندها سنجد أن الكابل يحمل حوالي 5.9 سدس الوزن، أي الوزن الكامل تقريبًا.
عرض آخر متعلق بالفضاء هو القبة السماوية القابلة للنفخ (الصورة 3). يوجد في مساحة القبة السماوية أسطوانة دوارة بها مصباح في المنتصف. تم ثقب الأسطوانة بحيث يسلط الضوء المنبعث من الثقوب سماء الليل على الجدران المستديرة، كما تظهر في ليلة صافية بشكل خاص. يرى الجالسون النجوم تشرق وتغرب، وسماء الصيف وسماء الشتاء، ويتعلمون التعرف على نجم الشمال والأبراج البارزة.
تعرف على سهل ملقا
بعض المجموعات، مثل السرطان والعقرب والعذراء والثور، تقع على الخط الذي تحدده الشمس في حركتها (من وجهة نظرنا على الأرض بالطبع). هذه هي "العلامات"، وهذا الخط ليس سوى "سهل العلم". مثل هذه الأبراج وغيرها ليست في الواقع مجموعات على الإطلاق؛ لكي يطلق على مجموعة من النجوم اسم "مجموعة" بالمعنى الفيزيائي، يجب أن يكون هناك تفاعل بينها، أي قوة جذب.
"مجموعة العقرب"، على سبيل المثال، عبارة عن مجموعة من النجوم على مسافات مختلفة منا، والتي تبدو لنا، بسبب المنظور المشتق من موقعنا النسبي في المجرة، قريبة من بعضها البعض. وتوصيف هذه النجوم بأنها "مجموعات" يشبه رؤية أشكال في السحب؛ كان الناس في العصور القديمة ينظرون إلى النجوم، ويرتبطون بها من قصص وأساطير، ولكن في أغلب الأحيان تكون النجوم في "الكوكبة" بعيدة عن بعضها البعض ولا تؤثر على بعضها البعض.
ما الذي يحدد اللون؟
كما أن سطوعهم يختلف أيضًا، ويرتبط بحجمهم وبُعدهم عنا ومرحلة النمو التي هم فيها. تحدد هذه المرحلة التطورية أيضًا لون النجم، وهو ما يعتمد على درجة حرارة سطحه. وتوضع في فوهات الأسطوانة الموجودة في وسط القبة السماوية مادة شفافة ذات ألوان مختلفة، بحيث يمكن رؤية النجوم الصفراء والحمراء والزرقاء.
إذا خرجت في ليلة صافية، فستتمكن من ملاحظة هذه الاختلافات في الألوان؛ لاحظ أن هذه الاختلافات اللونية تنشأ من النجوم نفسها، مقارنة بالتشوهات الأخرى في لون النجم والتي تنشأ من الاضطرابات الجوية. عندما يبدو النجم يومض ويتغير لونه بسرعة، فهذا اضطراب ينشأ من اختلافات درجات الحرارة في الغلاف الجوي.
إلى الأبد بعد الشمس
أقرب نجم إلينا هو نجم متوسط الحجم ومصفر اللون وهو الشمس. الشمس ليست أكثر سطوعا من النجوم الأخرى ولكنها أقرب، لذلك من الخطورة مشاهدتها بعين غير محمية، خاصة من خلال التلسكوب الذي يركز الإشعاع على العين. ويعرض جهاز بسيط صورة الشمس بأمان في عيون زوار المهرجان، مما يسمح لهم برؤية البقع الشمسية، وهي مناطق ذات درجات حرارة مختلفة قليلاً على سطح الشمس، والتي تشير إلى نشاط مغناطيسي ويشتبه في تأثيرها على مناخ الأرض.
الشمس نشطة للغاية: يتحول الهيدروجين إلى هيليوم طوال الوقت في قلبها (عملية تسمى الاندماج النووي)، ويتم دفع الطاقة الهائلة الناتجة بهذه الطريقة إلى الخارج بعدة طرق: التوصيل - انتشار الحرارة عبر المادة؛ الإشعاع – تقدم الفوتونات. والحمل الحراري - حركة المواد الساخنة إلى المناطق الباردة. ويمكن رؤية ظاهرة الحمل الحراري في محطة الأرصاد الجوية.
الحظ الساخن والبارد
في محطة الأرصاد الجوية يمكنك رؤية الحركة النسبية للسائل الساخن والسائل البارد، مطلية بألوان مختلفة. وترتفع المادة الساخنة وتنتشر كما يحدث مع التيارات الهوائية الساخنة (الحرارية). في بعض الأحيان يمكنك رؤية الطيور الجارحة والطيور الجارحة والطائرات الشراعية والطائرات الشراعية تحلق في الهواء دون تحريك جناح ودون استخدام محرك، ولا تساعدها إلا ظاهرة الحمل الحراري.
ونحن نعلم أن الجو أبرد على قمة جبل الشيخ منه عند سفحه. تسمى هذه الظاهرة انخفاض درجة الحرارة - درجة الحرارة "تنخفض" مع الارتفاع. تسخن الشمس سطح الأرض، ويسخن الهواء القريب من الأرض. عندما تكون كتلة الهواء دافئة بما فيه الكفاية، يحدث الحمل الحراري، ويرتفع الهواء الساخن. ترتبط ظاهرة الحمل الحراري بتكوين السحب: في اليوم الذي يكون فيه الهواء رطبًا بدرجة كافية، تتشكل سحابة على رأس "حرارية" - عمود من الهواء الصاعد. ويصل بخار الماء المنتقل في الهواء إلى ارتفاع تكون فيه درجة الحرارة والضغط مناسبة للتكثيف، ومن ثم يمكن رؤية السحابة.
ضباب في جرة
لإنقاذ زوار المهرجان من الرحلة الشاقة صعودًا إلى درجات الحرارة المرتفعة إلى قاعدة السحابة، هناك عرض توضيحي "الضباب في جرة" في محطة الأرصاد الجوية. جرة تحتوي على قليل من الماء الساخن، وبداخلها... قفاز مطاطي حاشية ممتدة على حافة الجرة. عندما يتم ارتداء القفاز على راحة اليد ويتم سحب اليد التي ترتدي القفاز للخارج، يتم إنشاء فراغ جزئي في الجرة: ينخفض الضغط في الجرة على الفور، ويرتفع بخار الماء من الماء الساخن ويملأ الجرة بالضباب. - وهو في الواقع نوع من السحابة.
التظاهرات في زيارة-أنفين قد تعطي انطباعاً بأن الطقس ظاهرة واضحة ومفهومة. لماذا إذن لا يمكن التنبؤ بالطقس لأكثر من بضعة أيام، وذلك أيضًا بدرجة معروفة من عدم الدقة؟ ويجب أن نتذكر أن نظام الطقس معقد، وهو في الواقع مثال للنظام الفوضوي. حتى لو قمنا الآن بقياس العديد من العوامل بدقة مثل الضغط الجوي ودرجة الحرارة والرطوبة وما إلى ذلك، فسنواجه صعوبة في التنبؤ بالطقس بعد بضعة أيام.
تأثير الفراشة
يتميز النظام الفوضوي بالاعتماد القوي على الظروف الأولية. ويكفي أن تتحرك كتلة صغيرة من الهواء في اتجاه وليس في اتجاه آخر، وسيتأثر سلوك النظام بشكل كبير لا يمكن التنبؤ به. وتعرف هذه الظاهرة باسم "تأثير الفراشة"، بسبب الادعاء بأن رفرفة أجنحة الفراشة في الصين قد تسبب في نهاية المطاف عاصفة في أوروبا.
ومن يرغب في رؤية نموذج للنظام الفوضوي بأم عينيه سيعود إلى حديقة العلوم، ويلاحظ بندول الفوضى (الصورة 4). وهو عبارة عن بندول يتكون من عدة أذرع تؤثر حركاتها على بعضها البعض. فإذا تركنا البندول عند نقطة معينة وقمنا بتصوير حركاته، ثم أطلقناه من تلك النقطة بالضبط وتابعنا حركاته مرة أخرى، سنجد أن هاتين مجموعتين من الحركات مختلفتان تماماً عن بعضهما البعض.
فرق بسيط
إن الاختلاف البسيط في الزاوية الأولية، أو التذبذب الطفيف لأحد الأذرع، يكفي للتأثير بشكل كبير على سلوك النظام. ويتصرف نظام الطقس أيضًا بهذه الطريقة، وهذا يجعل من الصعب التنبؤ بدقة، حتى لو كان لدينا نظام متطور لأخذ العينات وجمع البيانات. يعد الضغط الجوي موضوعًا رائعًا كان أساسًا للعديد من العروض التوضيحية في المهرجان.
نميل أحيانًا إلى تجاهل حقيقة أن الهواء مادة، لها كتلة ووزن، قادرة على ممارسة القوة. نحن دائمًا تحت غلاف ثقيل من الهواء يحيط بنا من كل جانب ويضغط على أجسامنا بقوة. لكي نفهم ذلك، دعونا نفكر في السؤال البسيط: لماذا لا ينزل الهواء الذي فوقنا بمتر واحد؟
التشبث بالهواء
والسبب هو أنه مدعوم بالهواء الموجود تحته، تمامًا كما لو كان مستندًا على طاولة. هناك ضغط بين الهواء في الأعلى والهواء في الأسفل؛ يعمل الضغط في جميع الاتجاهات: للأسفل، وللأعلى، وللجوانب. ومن هذا يفهم لماذا يكون الضغط عند مستوى سطح البحر أكبر من الضغط بالقرب من قمة الجبل: فالهواء عند مستوى سطح البحر يحمل فوقه وزن طبقة من الهواء أكثر سمكًا مما يحمله الهواء القريب من القمة.
في الفضاء، حيث لا يوجد هواء على الإطلاق - لا يوجد ضغط. هذا انخفاض في الضغط (مشابه لانخفاض درجة الحرارة المذكور سابقًا) - يتناقص الضغط مع زيادة الارتفاع. انخفاض الضغط هذا هو المسؤول عن حقيقة أن البالون المملوء بالهيليوم (أو بدلاً من ذلك، بالون مملوء بالهواء الساخن) يرتفع. الضغط في الجزء السفلي من البالون أكبر من الضغط في الأعلى؛ فرق الضغط يخلق قوة تصاعدية. لهذا، من الضروري أن يكون للبالون حجم: كلما زاد حجمه، زاد فرق الضغط، وكذلك القوة الصاعدة.
الأمر كله مسألة ضغط
إذا كان البالون أخف من الهواء (والهيليوم، أو الهواء الساخن، يحتوي على كتلة أقل لكل وحدة حجم من الهواء المحيط به)، فإن وزنه يكون أقل من القوة الناتجة عن فرق الضغط. يفوز فرق الضغط، ويرتفع البالون. سيكون فرق الضغط نفسه موجودًا حول البالون إذا كان مملوءًا بالماء، لكن وزنه سيكون كبيرًا جدًا، وعلى الرغم من القوة الصاعدة التي يمارسها الهواء، فإن البالون سيهبط.
في مثل هذه الحالة يقال أن الوزن (قوة الجاذبية) أكبر من القوة الناتجة عن فرق الضغط. بالنسبة لكتلة من الهواء من أي حجم، فإن القوة المؤثرة عليها تحت تأثير الهواء المحيط بها تساوي تمامًا وزن الكتلة. نحن نعرف ذلك، لأنه في غياب قوة خارجية، يكون الهواء في حالة سكون (نقطة للتفكير: لماذا ينزل بالون مطاطي مملوء بالهواء، ولا يطفو في مكانه؟)
كيف يعمل في الماء؟
وينطبق الشيء نفسه على الماء: الماء يمارس الضغط. وبما أن الماء أكثر كثافة من الهواء، فإن الضغط الذي يمارسه أكبر. ولهذا السبب نشعر بأننا أخف في الماء منه في الهواء. إذا كانت المياه تحتوي على الكثير من الأملاح (كما هو الحال في البحر الميت)، فيمكنك بالفعل أن تطفو على سطحه. ومن المثير للاهتمام أن الأشخاص البدناء يطفوون بسهولة أكبر من الأشخاص النحيفين: على الرغم من أن وزنهم أكبر، إلا أن حجمهم أكبر أيضًا، ومتوسط كثافتهم أقل لأن الدهون ليست كثيفة بشكل خاص.
فالسفينة، على سبيل المثال، سوف تطفو طالما أن متوسط كثافتها أقل من كثافة الماء. على الرغم من أن السفينة يمكن أن تكون مصنوعة من المعدن، إلا أن هيكل السفينة مجوف. "كثافة السفينة" هي وزن الهواء الموجود فيها مع وزن المعدن مقسومًا على حجم السفينة. وبنفس الطريقة نرى أن الوعاء العميق يطفو بسهولة أكبر من الطبق المسطح في حوض مملوء بالماء.
الماء يصل إلى السماء
يمكن رؤية العرض الكلاسيكي لضغط الماء في "الماء الماء إلى السماء"، حيث يتم عرض نظام "الأوعية المتشابكة" (الصورة 5). وتتصل الأوعية، التي لها أشكال مختلفة، ببعضها البعض في الأسفل. مستوى الماء في جميع السفن هو نفسه. إن الضغط الموجود في قاع عمود الماء لا يرتبط على الإطلاق بشكل العمود، بل يرتبط فقط بارتفاعه.
في الأوعية المدمجة، يكون الهواء الخارجي والسائل الموجود في الوعاء حرين في الحركة من أجل معادلة الضغوط. والنتيجة هي أن سطح الماء يكون على نفس الارتفاع تمامًا في جميع الأوعية: إذا كان الضغط أكبر عند أي نقطة، فسيتم إنشاء تدفق إلى المنطقة ذات الضغط المنخفض، حتى يتم تشكيل التوازن. عندما يكون الوعاء متوازنا، يكون ضغط الماء في قاع جميع الأعمدة هو نفسه. وكذلك ضغط الهواء في أعلى الأعمدة السائلة. هذه حالة مستقرة.
تأثيرات الحركة
لقد ناقشنا حتى الآن ضغط الهواء أو السائل الذي لا يتحرك. تخلق الحركة تأثيرات أخرى مثيرة للاهتمام. عرض لضغط الهواء قدمته "هافيدا"، وعرض آخر أقيم في حديقة العلوم، يوضحان مبدأ برنولي: انخفاض الضغط نتيجة الجريان. ينشأ ضغط الهواء من حركة جزيئات الغاز (أو السائل) في جميع الاتجاهات. يؤدي اصطدام هذه الجسيمات بالأجسام الموجودة في بيئتها إلى خلق الضغط.
عندما يكون هناك تدفق منتظم، فإن سرعات الجسيمات تتجه في اتجاه واحد، وتقل حركتها العشوائية إلى الجوانب. وبالتالي فإن الضغط المتعامد مع اتجاه التدفق ينخفض. والدليل الجميل على ذلك هو ما يلي: خذ بالونين مربوطين بخيوط، واحتفظ بهما على مسافة بضعة سنتيمترات. ماذا سيحدث إذا نفخت الهواء في الفراغ الموجود بين البالونين؟ وخلافا للحدس، فإن البالونات لن ترتد من الضربة: بل على العكس من ذلك، سوف تلتصق ببعضها البعض بسبب انخفاض الضغط في المنطقة التي يتدفق فيها الهواء.
ضربة على البالون
فقط إذا نفخنا البالون مباشرة فسوف نجعله يرتد. وطالما أن الزفير يجري بين البالونات، فإن الضغط المتعامد مع اتجاه الزفير سينخفض. هناك عرض مماثل هو الكرة في مجفف الشعر: يتم توجيه تيار الهواء من مجفف الشعر نحو السقف. يتم وضع كرة خفيفة على الدفق. ماذا سيحدث؟ (الصورة 6) من المتوقع أن نرى أن الكرة سوف ترتد إلى الأعلى ثم تسقط، لكنها لن تفعل: بل ستبقى طافية فوق مجفف الشعر. أي محاولة للانحراف عن تدفق الهواء إلى الجانبين ستواجه الهواء المستقر، الذي يمارس ضغطًا على الكرة أكبر من الهواء المتدفق. وبالتالي فإن الكرة سوف تستقر في وسط التيار.
وهذا هو المبدأ الذي تطير به الطائرات وتطير الطيور: الجناح مبني بحيث يكون تدفق الهواء في الجزء السفلي من الجناح أبطأ منه في الجزء العلوي، وبسبب هذا ينخفض الضغط في الجزء العلوي من الجناح، و يتم إنشاء فرق الضغط الذي يخلق قوة تصاعدية. فرق الضغط في هذه الحالة ينشأ من حركة الهواء، على عكس فرق الضغط الذي وصفناه سابقا والذي يوجد في الهواء الراكد.
نبذة عن معهد وايزمان، المبادر والمضيف للمهرجان:
يقع معهد وايزمان للعلوم، الذي سمي على اسم حاييم وايزمان، في رحوفوت. وفي منطقة الحرم الجامعي يوجد قصر وايزمان، حيث عاش أول رئيس للبلاد، الذي كان كيميائيًا بالتدريب، وزوجته فيرا، التي كانت طبيبة. المعهد موجود منذ حوالي سبعين عامًا ويعمل به حاليًا حوالي 2500 شخص. وهو معهد بحث علمي، حيث يتم دراسة العلوم الدقيقة، بما في ذلك الفيزياء والكيمياء والأحياء والرياضيات وعلوم البيئة، بالإضافة إلى المجالات المتوسطة.
بالإضافة إلى البحث والتدريس (يقوم المعهد بتدريب طلاب الدراسات العليا في العلوم)، يقوم معهد وايزمان بأنشطة تعليمية واسعة النطاق لعامة الناس، بما في ذلك الفصول الدراسية والمحاضرات الشعبية والدورات للمدارس؛ وسنذكر مركز الزوار وحديقة العلوم التي تحمل اسم كلور وهي متحف للعلوم في وسط المهرجان.
