المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الحرارة

التمدُّد الحراري

المعادن

مقدّمة

هل تستمتع بتغليف الهدايا؟ إذًا ربما سبق لك أن جعلت شريط زينة الهدايا يصبح متموجًا باستعمال مقصّ (أو شاهدت غيرك يفعل ذلك). هل سبق لك أن تساءلت لماذا يتموج شريط الزينة عندما تُجري حدّ شفرة المقصّ على أحد وجهيه؟ الجواب هو أنك عندما تضغط على الشريط بشفرة المقصّ، فإن الطبقة الخارجية للشريط تتمدّد، ما يجعلها أطول من الطبقة الداخلية المضغوطة بشفرة المقص. ونتيجةً لذلك، فإن الشريط يتموَّج للتعويض عن تفاوُت الطول بين طبقتَيه. وفي النشاط التالي ستجعل الموادّ تتموج كذلك، لكنك لن تحتاج إلى مقصّ للتعامل مع هذه المواد، بل سنستخدم الحرارة بدلًا منه!

معلومات عامة

إنك على الأرجح تعلم أن أشكال الموادّ أو أحجامها تتغير عند تسخينها أو تبريدها، وربما تكون قد رأيت ذلك سابقًا. وهذه الحقيقة تنطبق على الموادّ بمختلِف حالاتها، الصلبة والسائلة والغازية، فهي جميعًا تتكون من ذرات وجزيئات. وعندما تتعرّض هذه الجزيئات للحرارة، فإنها تبدأ في التذبذب والتحرُّك بسرعة. وهذا يجعل الجزيئات تتباعد وتَشغل حيّزًا أكبر، ومن ثم فإن المواد تتمدد بالحرارة. في المقابل، عندما تكون المادّة باردة، فإن جزيئاتها تكون أقل حركة، مما يجعلها تشغل حيزًا أقل، ومن ثم فإنها تنكمش بالبرودة. ورغم أن جميع الموادّ تتمدّد عند تسخينها، فإنها لا تتمدّد جميعًا بالقدر نفسه. وما يحدّد مدى تمدّد المواد يُعرف باسم مُعامِل التمدد الحراري. فالألومنيوم مثلًا يتمدّد بين 21 و24 ميكرومترًا لكل متر، إذا ارتفعت درجة حرارته درجةً مئويةً واحدة.

ولكن ما الذي يحدث عندما يكون جسمٌ ما مصنوعًا من أكثر من مادّة؟ تختلف في هذه الحالة درجة تمدُّد كل مادة عند تعرُّضها للحرارة! وفي الواقع، هناك مواد خاصة يُطلق عليها المزدوجات المعدنية، تُستعمل للاستفادة من خواصّ التمدّد الحراري المتباينة. والمزدوج المعدني هو جسم مكوّن من طبقتين منفصلتين من معدنين مختلفين يُجمعان معًا، وعند تسخينه، يتمدَّد أحد المعدنين أكثر من الآخر، ما يؤدي إلى انحناء المزدوج المعدني (أو تموُّجه) باتجاه واحد، بالضبط كما يحدث لشريط لف الهدايا. وبسبب هذا التأثير، فإنه كثيرًا ما تُستعمَل هذه المعادن للإشارة إلى التغيُّر في درجات الحرارة، كما هو الحال في مقاييس الحرارة الدائرية المزوّدة بمؤشّر (كتلك المستعملة في الأفران والثلاجات). فداخل مقاييس الحرارة هذه، توجد لفافة من مزدوج معدني متصلة بمؤشّر، وعندما تتغيّر درجة الحرارة يتحرّك المؤشر وفق درجة تغيُّر شكل لفافة المعدن.

وفي هذا النشاط، سترى بنفسك كيف يمكن لخواصّ التمدّد الحراري المختلفة أن تجعل أحد الأجسام يتموج. فهل أنت جاهز لأداء هذه التجربة المشوّقة؟

أدوات التجربة

  • ورق ألومنيوم
  • ورق طباعة
  • مقصّ
  • صمغ
  • شمعة ذات قاعدة متينة
  • قدّاحة أو أعواد ثقاب
  • شخص بالغ ليساعدك
  • وعاء كبير من الماء أو مطفأة حريق
  • صفائح من موادّ أخرى مثل البلاستيك أو النحاس أو غيرهما (اختيارية)

الإعداد للتجربة

  • اقطع أربعة شرائط من ورق الألومنيوم، كلٌّ منها بعرض نصف بوصة (تقريبًا 1.27 سم) وطول 9 بوصات (تقريبًا 22.86 سم).
  • اقطع أربعة شرائط من ورق الطباعة، كلٌّ منها بعرض نصف بوصة (تقريبًا 1.27 سم) وطول 9 بوصات (تقريبًا 22.86 سم).
  • باستخدام الصمغ، ألصِق اثنين من شرائط الألومنيوم معًا، بحيث تكون لديك طبقتان من الألومنيوم إحداهما فوق الأخرى.
  • باستخدام الصمغ، ألصِق اثنين من شرائط ورق الطباعة معًا، بحيث تكون لديك طبقتان من الورق إحداهما فوق الأخرى.
  • باستخدام الصمغ، ألصِق شريطًا من ورق الطباعة فوق شريط من ورق الألومنيوم.
  • كرر الخطوة السابقة بالشريطين المتبقّيين من الألومنيوم وورق الطباعة.
  • تأكد من التصاق الشرائط بالصمغ تمامًا قبل أن تبدأ تنفيذ التجربة.  

خطوات التجربة

  • بمساعدة شخص بالغ، أشعل الشمعة، واحرص على أن يكون هناك إبريق كبير من الماء أو مطفأة حريق على مقربة منك، تحسُّبًا لوقوع مشكلات.
  • ابدأ بالشريط المكون من طبقتين من الألومنيوم، وبمساعدة شخص بالغ أمسك طرف الشريط بحذر، بحيث يكون الشريط على بُعد نحو 4 إلى 5 سنتيمترات فوق لهب الشمعة، واتركه فوقها نحو ثلاث ثوان. ما الذي يحدث لشريط الألومنيوم؟
  • أبعد شريط الألومنيوم من فوق الشمعة، والمِس بحذر جانب الشريط الذي كان فوق اللهب. كيف تجد ملمسه بالمقارنة ببقية الشريط؟
  • التقط الشريط المؤلف من طبقتين من ورق الطباعة، وأمسك طرف الشريط بحذر بحيث يكون الشريط نحو 4 إلى 5 سنتيمترات فوق لهب الشمعة، واتركه فوقها نحو ثلاث ثوانٍ، مع الحرص على ألاّ تحرقه بالخطأ. ما الذي تلاحظه هذه المرة؟
  • أبعد شريط الورق من فوق الشمعة، والمِس بحذر جانب الشريط الذي كان فوق اللهب. كيف تجد ملمسه؟
  • والآن التقط الشريط المكون من طبقة من الألومنيوم وأخرى من ورق الطباعة. وأمسك طرف الشريط فوق لهب الشمعة كما فعلت في المرتين السابقتين، واجعل طبقة الألومنيوم هي المواجهة للشمعة وطبقة الورق مواجهة لسقف الغرفة، وأمسك الشريط في هذا الوضع نحو ثلاث ثوانٍ. ما الذي تلاحظه؟ هل اختلفت النتائج عن ذي قبل؟
  • بعد أن تُبعِد الشريط من فوق الشمعة بحرص، المِس بحذر طرف الشريط الذي كان فوق اللهب من الجانبين. هل للجانبين الملمس نفسه؟
  • التقط آخر شريط مكوَّن من طبقة من الألومنيوم وأخرى من ورق الطباعة، ولكن هذه المرة اجعل الطبقة من ورقة الطباعة في مواجهة الشمعة والطبقة الأخرى من الألومنيوم في مواجهة سقف الغرفة. ما الذي يحدث هذه المرة؟ هل لديك مسوِّغ لهذه النتيجة؟
  • ارفع الشريط بعيدًا عن الشمعة والمس بحذر الجانبين فوق الطرف الذي كان فوق الشمعة. ماذا تلاحظ؟
  • تجربة إضافية: ما الذي يحدث عندما تلصق شريط الألومنيوم بموادّ أخرى مثل البلاستيك أو النحاس؟ هل تغيرت النتائج التي توصلت إليها؟

الملحوظات والنتائج

هل رأيت أحد أشرطتك يتموج وهو فوق اللهب؟ لا بد وأنك رأيت هذا! من المفترض ألاّ يكون الشريط المؤلّف من طبقتين من الألومنيوم أو الآخر المؤلّف بالكامل من طبقتين من ورق الطباعة قد تغير عندما أمسكته فوق اللهب، ويرجع ذلك إلى أن طبقتي الشريط من المادّة نفسها. وإذا ما ارتفعت درجة حرارة الشريط، وهو ما تلاحظه عند لمسه، فإن الطبقتين تتمدّدان بالمقدار نفسه. ولكن، في حال كان الشريط يتكون من مادتين مختلفتين، كالشريط الذي صنعته من ورق الطباعة والألومنيوم معًا، فإن شيئًا مختلفًا سيحدث.

عندما تمسك الشريط المكون من ورق الطباعة والألومنيوم فوق اللهب، تلاحظ على الأرجح أنه بدأ على الفور بالانحناء أو التموُّج باتجاه واحد. إنه يتموج إلى الأعلى عندما تواجه طبقة الألومنيوم اللهب، ويتموج إلى الأسفل عندما تواجه طبقة الألومنيوم سقف الغرفة. يرجع ذلك إلى أن الألومنيوم وورق الطباعة يسخنان فوق اللهب، لكن الألومنيوم يتمدّد أكثر من الورق لأنه يتمتع بمُعامِلٍ أعلى للتمدّد الحراري. ونظرًا لالتصاق الورق والألومنيوم، فإن الألومنيوم يتموج بعيدًا عن شريط الورق للتعويض عن تفاوُت طولِ الطبقتين، كما يحدث لشريط زينة الهدايا المتموج! وستلاحظ نتائج مشابهة مع الشرائط الأخرى المكونة من مادّتين مختلفتين لديهما معامل تمدّد حراري مختلف.

إنهاء التجربة

احرص على إطفاء الشمعة، ويمكنك إعادة تدوير الورق أو الألومنيوم الذي لم تستخدمه.

هذا النشاط العلمي بالتعاون مع "ساينس باديز".

More to Explore
How Thermometers Work, from HowStuffWorks
A Temperature Measurement Metallic Spiral Strip Metal Thermometer, from Abdelrahman Hamdy and YouTube
Thermal Expansion, from The Physics Hypertextbook
Secret of Ribbon Curling Revealed, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies