المفاهيم الأساسية

الفيزياء

القوة

الجاذبية

الكتلة

الرافعة

مقدمة

عندما تصبح الأيام قصيرة ويخيّم الظلام في وقت مبكر من المساء، يستمتع كثير من الناس بضوء الشموع. الشموع أداة عظيمة أيضًا لممارسة العلم؛ لذا، لم لا نجمع بين الأمرين معًا ونضيف بعض الضوء إلى علومنا؟

في هذا النشاط، سوف نستخدم الشموع لاستكشاف قوى توازن أرجوحة.

الخلفية العلمية

أراجيح التوازن من المعدات الأساسية لملاعب الأطفال؛ فاللعب عليها ليس ممتعًا فحسب، ولكنها أيضًا توفر فرصة ممتازة لاستكشاف نوع من الآلات البسيطة المصممة لرفع أجسام أثقل كثيرًا مما قد تسمح به قوتك في العادة.

تُعد أرجوحة التوازن نوعًا محددًا من الرافعات؛ فهي تتكون من عارضة طويلة متصلة بمحور يسمى نقطة الارتكاز، وبمجرد أن تضع وزنًا على أحد الطرفين بالجلوس على إحدى جانبي العارضة، يسقط إلى الأرض.

يحدث هذا لأن قوة الجاذبية تؤثر على وزن جسمك، فتسحبه مع العارضة لأسفل، ويعتمد الوزن الذي يسحب العارضة إلى أسفل على كتلة جسمك، فكلما كنتَ أثقل، كانت قوة الجاذبية أكبر، ولكي توازن العارضة مجددًا، تحتاج إلى قوة مكافئة على الجانب الآخر، ومن الممكن أن تضع شخصًا آخر بنفس الوزن على الجانب الآخر من العارضة، وما إن تتساوى القوتان المؤثرتان على كلا جانبي العارضة، تتزن الأرجوحة.

إلا أنك ربما كنت تعرف بحكم التجربة أن الوزن ليس وحده ما يهم ولكن أيضًا موضع جلوس الأشخاص على العارضة، فمن الممكن لشخصين لهما كتلة الجسد ذاتها ويجلسان على جانبين متقابلين من العارضة أن يغيرا التوازن ويجعلا الأرجوحة تدور عن طريق التحرك ابتعادًا عن مركز العارضة أو اقترابًا منه. ينتج دوران العارضة بواسطة قوة الدوران -التي تسمى أيضًا عزم الدوران- والتي تأخذ في الحسبان القوة التي تجذب العارضة لأسفل وموقع القوة المؤثرة.

وفقًا لقانون الرفع، سوف تتوقف الأرجوحة عن الدوران بمجرد أن تتساوى قوتا الدوران على كلا الجانبين وتُلغي أحداهما الأخرى، يفسّر هذا القانون أيضًا سبب قدرتك على رفع أجسام ثقيلة جدًا باستخدام رافعة. فعندما يكون الجسم الموجود على الجانب الآخر ثقيلًا بحيث لا يمكنك رفعه، فإن كل ما عليك فعله حينها أن تتحرك بعيدًا عن مركز العارضة إلى أن تصبح قوة دورانك أكبر من تلك الموجودة على الجانب الآخر.

من كان يتوقع أن نشاطًا بسيطًا كهذا ينطوي على فيزياء معقدة بهذا القدر؟

لا تقلق إذا بدا لك الأمر معقدًا؛ فسوف يصبح أكثر وضوحًا بمجرد أن تجرّب هذا النشاط، باستخدام أرجوحة توازن مصنوعة من الشموع!

المواد المستخدمة

  • شمعتان متطابقتان من شموع أعياد الميلاد
  • شريط لاصق قوي
  • إبرة أطول من قطر الشمعة
  • رقائق ألومنيوم
  • سكين
  • كوبان زجاجيان متساويان في الطول
  • قداحة
  • شخص مساعد بالغ
  • موقع وسطح آمنان لاستخدام الشموع

الإعداد للتجربة

  • ألصِق شمعتي الميلاد معًا عند نهايتيهما بحيث تشير فتيلتاهما إلى اتجاهين متقابلين.
  • ضع قطعة كبيرة من رقائق الألومنيوم على منطقة عملك لتحميها من أي انسكابات شمعية.
  • ضع الكوبين إلى جانب بعضهما في منتصف رقائق الألومنيوم، يجب أن تكون الفجوة بين الكوبين صغيرة بما يكفي لوضع الإبرة فوقها.
  • اطلب من أحد البالغين أن يغرس الإبرة في جانب الشمعة تمامًا عند نقطة التقاء نهايتي الشمعتين. ينبغي أن يكون هذا عند نصف المسافة بين الفتيلتين بالضبط، إذا كان من الصعب دفع الإبرة داخل الشمعة، جرّب أن تسخن الإبرة في شعلة قبل دفعها عبر الشمع.

الخطوات

  • ضع الشمعة في الفجوة بين الكوبين بحيث يكون الجزءان الظاهران من الإبرة على كلا جانبي الشمعة مستقرين على حافة الكوبين. ماذا تلاحظ بمجرد أن تضع الشمعة بين الكوبين؟ هل يمكنك رؤية أوجه التشابه بين مخطط تجربتك وأرجوحة التوازن؟ أين تقع نقطة ارتكاز أرجوحتك الشمعية؟
  • إذا لم تتّزن أرجوحتك الشمعية، غيّر موقع الإبرة في الشمعة، بمجرد أن تصبح الإبرة عند منتصف الشمعتين بالضبط، يجب أن تتّزن الأرجوحة. لماذا لا بدّ أن تكون الإبرة عند منتصف الشمعة بالضبط كي تتزن الأرجوحة؟
  • تأكد أن السطح مغطى برقائق الألومنيوم على امتداد طول الشمعة بأكملها.
  • ما إن تصبح الشمعة متزنة ولا تميل إلى أحد الجانبين، اطلب من مساعدك البالغ أن يشعل الشمعتين بحرص. لا تشعل كلتا الشمعتين في الوقت نفسه، انتظر بضع ثوان قبل أن تشعل الشمعة الثانية. هل تظن أن الأمر كان سيختلف لو أشعلت كلتا الشمعتين معًا في الوقت نفسه؟
  • شاهد كيف تحترق الشمعتان وراقب حركة أرجوحتك الشمعية. ما الذي يحدث للأرجوحة بعد فترة؟ هل تظل متزنة أم تبدأ في التحرك؟ إذا رأيت حركة، هل يمكنك تفسير سبب حركة الأرجوحة الشمعية؟
  • ما إن يحترق نحو ربع الشمعتين، أطفيء كلتيهما واقطع الجزء العلوي (سنتيمتر واحد تقريبًا، أو نحو نصف بوصة) من إحدى الشمعتين. كيف تتوقع أن يؤثر هذا على اتزان الأرجوحة؟
  • ضع الشمعة بين الكوبين مجددًا، بحيث يكون الجزءان الظاهران من الإبرة على كلا جانبي الشمعة مستقرين على حافتي الكوبين. هل ما زالت الأرجوحة متزنة كما كانت؟ لم؟ أو لم لا؟
  • اطلب من مساعدك البالغ أن يشعل الشمعتين بنفس الطريقة السابقة.
  • شاهد احتراق الشمعتين وراقب ما يحدث. هل تتحرك الأرجوحة مرة أخرى؟ كيف تختلف النتائج عن المشاهدات السابقة؟
  • تأكد من إطفاء كلتا الشمعتين قبل أن تحترقا بالكامل.

نشاط إضافي: كرّر هذا النشاط، وهذه المرة لا تضع الإبرة في منتصف عارضة الشمع. يجب أن يكون أحد الجانبين أثقل، مثل المرة التي قطعت فيها الجزء العلوي من إحدى الشمعتين. ولكن هذه المرة، أشعل الشمعة التي عند الجانب الأطول فقط، ثم شاهد الشمعة تحترق. ماذا يحدث للأرجوحة الشمعية هذه المرة؟ هل تبدأ في الحركة؟ هل يمكنك تفسير مشاهداتك؟

الملاحظات والنتائج

هل لاحظت أن ما تصنعه يشبه الأرجوحة؟ كوّنت الشمعتان الملصقتان معًا عارضة طويلة متصلة بالإبرة، والتي أصبحت في مقام المحور (أو نقطة الارتكاز). تمكنت عارضة الشمع من الدوران بحرية من جانب إلى آخر تمامًا مثل أرجوحة حقيقية، ولأنك لا تضع أي وزن إضافي على عارضة الشمع كما كنت لتفعل على أرجوحة ملعب، فقد كانت القوة الوحيدة التي تسحب العارضة لأسفل هي وزن الشمعة ذاته.

ولكي توازن الأرجوحة، من الضروري أن تكون كلتا القوتين المؤثرتين على كلا جانبي العارضة متساويتين تمامًا، ولن يتحقق ذلك إلا عند وضع الإبرة في منتصف عارضة الشمع بالضبط، فإذا كان أحد الجانبين أطول ولو قليلًا، سوف يجعله ذلك أيضًا أثقل وسوف يسقط لأسفل، كما لا بدّ أنك لاحظت، إلا أنه عند وضع الإبرة في المنتصف تمامًا، تُلاشي قوتا الجاذبية المؤثرتان على كلا الجانبين بعضهما، وبذلك تظل الشمعة متزنة.

يتغيّر هذا بمجرد أن تُشعل الشمعتين، فعندما تحترق الشمعة يحدث تفاعل كيميائي يحوّل الشمع إلى غاز، ربما تكون قد لاحظت أيضًا أن الشمع الصلب تحوّل إلى سائل ص على رقائق الألومنيوم. الشمع المفقود نتيجة الاحتراق والتساقط يجعل الشمعة أقصر ومن ثمّ أخف.

وعندما يصبح هذا الجانب من عارضة الشمع أخف يتحرك إلى أعلى بينما الجانب الآخر، الأثقل، يسقط لأسفل. ينعكس الدوران بمجرد أن تفقد الشمعة الأخرى شمعًا وتصبح أخف مرة أخرى، السر وراء حركة الأرجوحة هذه هي أن كلتا الشمعتين لا تحرقان نفس كمية الشمع في الوقت نفسه، وهذا هو السبب الذي ينبغي لأجله أن تشعل واحدة بعد الأخرى، إذا بدأت كلتا الشمعتين الاحتراق في اللحظة ذاتها وفقدتا نفس كمية الشمع بالتزامن، سوف تظل الأرجوحة الشمعية متزنة.

إذا قطعت جزءًا من الشمعة على أحد الجانبين، سوف يسقط جانب العارضة الأطول، الذي أصبح أثقل الآن، إلى أسفل. وعندما أشعلت الشمعتين، ربما تكون قد لاحظت أن الأرجوحة لم تتحرك على الإطلاق، لأن الجانب الأطول سوف يظل دائمًا أثقل خلال احتراق كلتا الشمعتين، إلا أنك إذا أدَّيت التجربة الإضافية، وأشعلت الشمعة التي على الجانب الأثقل وحدها، فلعلك لاحظت أنه بمجرد أن تحترق الشمعة بما يكفي لتصبح أقصر وأخف، تسقط الأرجوحة للأسفل على الجانب الآخر.

تنظيف محيط التجربة

تأكد أن كلتا الشمعتين مطفئتان تمامًا وتخلص منهما ومن رقائق الألومنيوم. إذا كنت لا تريد استخدام الإبرة مرة أخرى، تأكد من التخلص منها في حاوية للأدوات الحادة.