المفاهيم الأساسية

الفيزياء

المواد

المزيج

الطفو

مقدمة

هل لاحظت من قبل أن الفواكه المجففة أو المكسرات في حبوب إفطارك لا تنتشر بالتساوي داخل الصندوق، أو أنه في وعاء المكسرات المُشكَّلة، يتجمع الجوز البرازيلي في الأعلى؟ الاسم الشائع لهذا التأثير هو "ظاهرة الجوز البرازيلي"، والأساس العلمي الذي تستند إليه معقد وواسع المدى على نحو مذهل. قد يكون هذا الوضع مصدرَ إزعاج عندما تريد تعبئة صوامع أو أكياس أو صناديق بأنواع مختلفة من المواد، وفي الوقت ذاته يمكن الاستفادة منه لصالحنا؛ فالوسائد الهوائية في حالات الانهيار الثلجي تستخدم ظاهرة الجوز البرازيلي في إبقاء المتزلجين فوق الثلوج في أثناء حدوث الانهيار. في هذا النشاط، ستضع تحديًا لنفسك، هو أن تخلط أنواعًا مختلفة من المواد الحبيبية. ليس الأمر سهلًا كما يبدو.

معلومات أساسية

توجد المادة في ثلاث حالات: الصلبة، والسائلة، والغازية. فنحن نعرف أن الصخور صلبة، والمياه في المحيطات سائلة، والهواء الذي نتنفسه غازي. لكن التصنيف ليس دائمًا بهذا القدر من الوضوح فيما يتعلق بسلوك بعض المواد. فيمكنك أن تصنع كومةً من الرمل كمادة صلبة، وفي الوقت ذاته، يمكنك أن تسكبه فيتدفق على نحو أشبه بالسوائل. يرجع هذا إلى أنه مادة حُبيبية تتكون من الكثير من الجسيمات المنفصلة، يُشكل كل جُسيم منها حبة.

يمكن أن تتنوع الحبوب في الشكل من حبوب صغيرة، مثل الرمل، إلى مواد كبيرة جدًّا، مثل الصخور. ولكي تُظهر مادة حبيبية خواصَّ السوائل، يجب أن يكون هناك حبوب كثيرة منها قريبة بعضها من بعض. فبضع صخور منحدرة من تل لا تسلك سلوك السوائل، لكن آلاف الصخور التي تتداعى معًا من فوق تل في أثناء انهيار صخري تكون أشبه بالسوائل. قياسًا على ذلك، فإن حبة رمل مفردة لا تبدو مثل سائل، لكنها يمكن أن تتدفق كسائل عندما تسكب حفنةً منها من سطل.

إذا وضعت مواد حبيبية مختلفة في وعاء، فيمكنك رج الوعاء أو تحريكه حركة دائرية لمزجها؛ فحركات الاهتزاز أو الدوران تجعل الحبوب تقفز أو تتدحرج بعضها فوق بعض. وبينما تسقط الحبوب الأصغر حجمًا عبر المسافات الموجودة بين الحبوب الأكبر حجمًا، تميل الجسميات الكبيرة إلى التحرك إلى أعلى في عملية تسمى التخلُّل. يؤدي الطفو أيضًا دورًا في ذلك، إذ يجعل الحبوب الأكثر كثافةً تغوص إلى القاع والأقل كثافةً تصعد إلى السطح. ثمة عامل آخر يؤدي دورًا وهو الحمل الحراري الحبيبي، وذلك عندما تتحرك المواد الحبيبية التي تتعرض للاهتزاز في أنماط دوران الحمل الحراري. وتتبع الأجزاء الأكبر حجمًا والأكثر كثافةً نمط الدوران لأعلى ولا تتحرك لأسفل. ويُعتقد أن الهواء الموجود بين الجسيمات وشكل الوعاء يؤثران أيضًا.

المواد المستخدمة

  • وعاء أسطواني شفاف صغير له غطاء. (تصلح أوعية الطعام الصغيرة لهذه المهمة، وكذلك أطباق بتري).
  • لون واحد من حبيبات السكر المستخدمة في تلوين الحلوى يكفي لملء ثلث الوعاء.
  • مادة دقيقة الحبيبات، مثل السكر الحبيبي الناعم، أو الرمل الجاف المنخول (يمكنك أيضًا استخدام رمل ملون من متجر مشغولات يدوية) يكفي لملء ثلث الوعاء.
  • ملعقة معايرة.
  • ملعقة صغيرة للتقليب.
  • شريط لاصق (لتثبيت غطاء الوعاء إذا لزم الأمر).
  • مجموعة مكسرات مخلوطة تتكون من أربعة عناصر على الأقل بأحجام مختلفة (مثل الفول السوداني والزبيب وبذور عباد الشمس والفراولة المجففة (اختياري).
  • وعاء أكبر بغطاء لتحضير (ورج) خلطة المكسرات (اختياري).

التحضير

  • اجمع كل هذه المواد في مكان يمكن تنظيفه بسهولة إذا كانت المواد الحبيبية المستخدمة قابلةً للانسكاب.
  •  أضف ملعقة كبيرة من حبيبات تلوين الحلوى إلى الوعاء، ثم أضف الكمية نفسها من المواد الحبيبية الأخرى. استمر إلى أن يمتلئ الوعاء حتى منتصفه تقريبًا. يمكنك وضع شريط لاصق حول أي فتحات، أو لإحكام الغطاء إذا لزم الأمر.
  • هل امتزج السكر (أو المادة الحبيبية الأخرى) وحبيبات التلوين في الوعاء جيدًا؟ ماذا سيحدث في اعتقادك عندما ترج الوعاء للأعلى وللأسفل، أو من جانب إلى جانب؟

الطريقة

  • حرك الوعاء للأعلى وللأسفل: افعل ذلك ببطء في البداية ثم زد السرعة تدريجيًّا. لاحظ ما يحدث. متى يبدأ السكر وحبيبات التلوين التحرك داخل الوعاء؟ هل يمتزج السكر وحبيبات التلوين، أم تراهما ينفصلان عندما ترج الوعاء؟
  • افتح الوعاء، واستخدم الملعقة الصغيرة لخلط حبيبات التلوين بالسكر. ضع الغطاء، وأعد وضع الشريط اللاصق إذا لزم الأمر.
  • حرك الوعاء من جانب إلى آخر: افعل ذلك ببطء في البداية ثم زد السرعة تدريجيًّا. لاحظ ما يحدث. متى يبدأ السكر وحبيبات التلوين بالتحرك داخل الوعاء؟ هل ينفصل السكر وحبيبات التلوين عندما ترج الوعاء ببطء؟ هل ينفصلان عندما ترج الوعاء بقوة؟ لماذا يحدث هذا في اعتقادك؟
  • افتح الوعاء، واستخدم الملعقة الصغيرة لمزج حبيبات التلوين بالسكر. ضع الغطاء وأعد وضع الشريط اللاصق إذا لزم الأمر.
  • بعد ذلك، حرِّك الوعاء حركة دائرية. هل تعتقد أن المزيج سيبقى ممزوجًا على نحو جيد، أم أنه سيمتزج على نحو أفضل بهذه الحركة؟
  • جرب ذلك! ماذا تلاحظ؟ لماذا يحدث هذا في اعتقادك؟
  • حرِّك الوعاء بأي طريقة تريدها. هل يمكنك تحريكه بطريقة تمزج حبيبات التلوين بالسكر؟

نشاط إضافي: امزج مجموعة المكسرات. ابدأ بمكونين، مثل الفول السوداني والزبيب، ورج الوعاء. إلى أي مدى يمتزج هذان المكونان؟ أضف مكونًا ثالثًا، ثم رابعًا، مثل بذور عباد الشمس والفراولة المجففة بالتجميد. إلى أي مدى تمتزج جميع المكونات عند رج الإناء؟ ماذا عن المكونات القابلة للتدحرج أو الانسكاب؟ جرِّب مكونات مختلفة. أي التوليفات تمتزج جيدًا؟ هل تحقق إضافة مزيد من المكونات مزجًا أفضل لمجموعة المكسرات؟

المشاهدات والنتائج

بصرف النظر عن الطريقة التي تُحرِّك بها الوعاء، فإن الأرجح أنه سيحدث انفصال لحبيبات التلوين والسكر بمجرد أن تُحرِّك الوعاء بقوة كافية.

حبيبات السكر أصغر بكثير من حبيبات التلوين، وربما أعلى كثافةً أيضًا. عندما ترج الوعاء بقوة كافية، تبدأ الجسيمات بالداخل على الأرجح في القفز لأعلى أو الانزلاق إلى جانب وفوق بعضها البعض. وتسقط حبيبات السكر الصغيرة عبر المسافات بين حبيبات التلوين، لذا تتجمع حبيبات التلوين الكبيرة في أعلى الوعاء وعلى جوانبه. ولا يساعد تحريك الوعاء في مزج الحبوب في الداخل.

ربما ترى الانفصال والأنماط شيئًا جميلًا، لكن هذا الانفصال يمكن أن يكون مزعجًا عندما ترغب في الاحتفاظ بمجموعة المكسرات ممزوجة!

هذا النشاط مقدم لكم بالاشتراك مع "ساينس باديز"