المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الطاقة

طاقة الوضع

بقاء الطاقة

المقدمة

إذا كنت تستمتع بالتفاعلات المتسلسلة والمشاهد المذهلة، فهذا النشاط يناسبك! هل يمكنك أن تتخيل كيف يمكن أن يؤدي تجميع خافضات اللسان العادية (أو عصي المثلجات أو عصي الصناعات الحرفية) إلى إطلاق تفاعُل متسلسل من العصي المتطايرة في الهواء؟ جرِّب لتكتشف بنفسك!

معلومات عامة

إن الطاقة لا تنشأ من العدم مطلقًا، ولكنها تتحول دائمًا من صورة إلى أخرى. هذا النشاط مثال رائع على هذا المبدأ الفيزيائي الأساسي!

إذا مددت شريطًا مطاطيًّا، فستشعر حتمًا بأنه يريد العودة إلى طوله الأصلي. يقول العلماء إن الشريط المطاطي الممدود مُحمَّل بطاقة الوضع المرنة. وبالمثل، تُخزِّن عصا خافضة اللسان الخشبية (مثل النوع المستخدم في العيادات الطبية) طاقة الوضع المرنة عند ثنيها (لكنها تفقدها إذا كسرتها). وعندما تسمح لها بالعودة إلى حالتها المسطحة، فإنها تحرر تلك الطاقة.

إذا استقامت خافضة لسان منثنية بالقرب من أرضية صلبة، فسوف تدفع العصا نفسها دفعًا من الأرض وتطير في الهواء. تتحول طاقة الوضع المرنة التي كانت مخزنةً في العصا إلى حركة تُسمى الطاقة الحركية. ومع ارتفاعها، تبتعد العصا عن سطح الأرض، وهو ما يُترجم إلى طاقة وضع الجاذبية، أو الطاقة الناجمة عن حقيقة أنها ستسقط أرضًا. في النهاية تستقر العصا على الأرض. وتتحول الطاقة التي كانت مخزنةً في العصا في النهاية إلى حرارة وصوت، أي إلى صور أخرى من الطاقة.

عندما تُحرِّر خافضة لسان طاقتها المخزنة، لا يحدث شيء مذهل، ولكن، ماذا سيحدث عندما تحرر سلسلة من العصي طاقتها؟

الأدوات

  • 50 خافضة لسان على الأقل. إذا لم تكن متوافرة، فإن عصي المثلجات الكبيرة المرنة إلى حدٍّ ما، أو عصي الصناعات الحرفية العريضة تُعدُّ بديلًا جيدًا لها.
  • أرضية صلبة.
  • أربعة أقلام ملونة: أزرق فاتح، وأزرق داكن، وبرتقالي، وأحمر.
  • مسطرة مترية.
  • صمغ.
  • قلم (اختياري).
  • كاميرا فيديو أو أي جهاز يصور فيديو (اختياري).

التحضير

  • لوِّن أربعًا من خافضات اللسان باللون الأزرق الفاتح، وأربعًا باللون الأزرق الداكن، وأربعًا باللون البرتقالي، وسبعًا باللون الأحمر.
  • اصنع قطعة لبدء سلسلة العصي عن طريق وضع خافضة لسان باللون الأزرق الفاتح، وخافضة باللون الأزرق الداكن، وأخرى باللون الأزرق الفاتح، بعضها بموازاة بعض. اترك نحو سنتيمترين بين الخافضات.
  • رتب خافضات اللسان المتوازية بحيث تبرز كل خافضة من 2 إلى 3 سنتيمترات عن الخافضة المجاورة.
  • ضع خافضةً حمراء بوضع عمودي على الخافضات الثلاث جميعها. ضعها فوق الخافضات الثلاث، واضبطها حتى تلامس الخافضات الثلاث كافة. وثبتها بالصمغ.
  • ضع خافضةً حمراء ثانية بجوار الأولى، وألصقها على جميع الخافضات الثلاث المتعاقبة. اترك الصمغ يجف.
  • اقلب الشكل، وألصق خافضتين باللون الأحمر مطابقتين للموجودتين في الجانب الآخر. الآن، ستكون الخافضات الزرقاء الثلاث المتعاقبة بين الخافضتين الحمراوين. اترك الصمغ يجف.
  • ستكون الخافضة ذات اللون الأزرق الفاتح الأكثر بروزًا من الباقيات هي رقم «1» (يمكنك استخدام قلم لترقيمها إن أردت). وستكون الخافضة الوسطى (باللون الأزرق الداكن) رقم «2»، وأقلها بروزًا (باللون الأزرق الفاتح) ستكون رقم «3».

الخطوات

  • لبدء السلسلة الخاصة بك، ضع قطعة البداية التي جمَّعتها (تأكد من أن الغراء جاف)، وخافضات اللسان الملونة الباقية القليلة، وعددًا كبيرًا من خافضات اللسان غير الملونة على أرضية صلبة.
  • ضع خافضة لسان برتقالية في قطعة البداية، بحيث تكون تحت الخافضة رقم «1» (باللون الأزرق الفاتح)، وفوق الخافضة رقم «2» (باللون الأزرق الداكن)، وتحت الخافضة رقم «3» (باللون الأزرق الفاتح)، على أن تبرز من تحت الخافضة رقم «3» قليلًا. حرِّكها إلى أن تصبح موازيةً للخافضة الحمراء من قطعة البداية، واترك بينهما سنتيمترين تقريبًا.
  • ضع خافضة لسان حمراء في قطعة البداية، بحيث تكون فوق الخافضة رقم «1» (باللون الأزرق الفاتح)، وتحت الخافضة رقم «2» (باللون الأزرق الداكن)، على أن تبرز من تحت الخافضة رقم «2» قليلًا. حرِّكها إلى أن تصبح موازيةً للخافضة البرتقالية، واترك بينهما سنتيمترين تقريبًا.
  • ينبغي أن ترى خافضتين متوازيتين (الخافضتين البرتقالية والحمراء اللتين أضفتهما للتو) بارزتين. ضع خافضة لسان باللون الأزرق الداكن تحت الخافضة الأقصر (باللون البرتقالي) حتى تبرز قليلًا، وفوق الخافضة الأطول (الحمراء)، وبموازاة الخافضة رقم «1» (باللون الأزرق الفاتح). قد تشعر أنك مضطر إلى تثبيت الخافضات في مكانها. ما سبب ذلك؟
  • ينبغي أن ترى الآن خافضتين متوازيتين بارزتين: باللونين الأزرق الفاتح والأزرق الداكن. ضع خافضة لسان برتقالية تحت الخافضة الأقصر (باللون الأزرق الفاتح) حتى تبرز قليلًا، وفوق الخافضة الأطول (باللون الأزرق الداكن)، بحيث تصنع زاوية قائمة مع الخافضات التي تتقاطع معها.
  • حدد مكان الخافضتين المتوازيتين البارزتين: إنهما باللونين الأحمر والبرتقالي. ضع خافضة لسان باللون الأزرق الفاتح تحت الخافضة الأقصر حتى تبرز قليلًا، وفوق الخافضة الأطول، بحيث تصنع زاويةً قائمةً مع الخافضات التي تتقاطع معها. هل تلاحظ أن جميع الخافضات باللون الأزرق متوازية، وأن كل الخافضات باللونين الأحمر والبرتقالي متوازية؟
  • حدد مكان الخافضتين المتوازيتين البارزتين: سيصنعان زاوية قائمة مع آخر خافضة أضفتها. ضع خافضةً تحت الخافضة الأقصر بين الاثنتين حتى تبرز قليلًا، وفوق الخافضة الأطول، بحيث تصنع زاويةً قائمةً مع الخافضات التي تتقاطع معها.
  • كرر الخطوة السابقة عدة مرات. هل تشعر بأنك يجب أن تثني الخافضات؟ كيف يمكن أن يساعد ذلك في إنشاء تفاعل متسلسل نشط؟ ماذا سيحدث برأيك إذا لم تعد تضغط على آخر خافضتين وضعتهما في السلسلة؟
  • استمر في البناء حتى تشعر بالرضا عن حجم السلسلة التي صنعتها. يمكنك إبقاء خافضات اللسان في مكانها عن طريق تثبيت آخر خافضة تضيفها بشكل مائل أسفل الخافضة التي ستكون موازيةً لها إذا واصلت صنع سلسلة أطول.
  • عندما تكون جاهزًا لبدء التفاعل المتسلسل الخاص بك، راقب عن كثب واترك آخر خافضة. ماذا يحدث؟ ولماذا يحدث هذا؟ هل لاحظت أشكالًا أخرى من الطاقة عند حدوث التفاعل؟
  • خطوات إضافية: ابنِ سلسلةً أطول، وانظر كيف يتغير التفاعل المتسلسل عندما تصبح السلسلة أطول.
  • خطوات إضافية: إذا كان لديك كاميرا لتصوير الفيديو (أو هاتف أو أي جهاز آخر يصور الفيديو)، سجِّل مقطعَ فيديو لانطلاق التفاعل المتسلسل، ويُفضل أن يكون ذلك بالتصوير البطيء. ماذا يمكنك أن تتعلم من الفيديو البطيء؟
  • خطوات إضافية: إذا كنت تسعى لتحدٍّ شخصي، فاجعل السلسلة منحنية، أو اجعلها تعبر فوق عقبات.
  • خطوات إضافية: قارن التفاعل المتسلسل على السجاد بتفاعل متسلسل مماثل على أرضية صلبة. أيهما يجعل العصي تقفز أعلى؟ لماذا يحدث ذلك؟
  • خطوات إضافية: اصنع سلاسل من عصي الصناعات الحرفية وخافضات اللسان كبيرة الحجم. هل تستطيع توضيح سبب اختلاف النتيجة؟

المشاهدات والنتائج

من المحتمل أنك رأيت عصي خافضات اللسان تقفز في الهواء بمجرد أن تطلق آخر خافضة، وربما حتى قبل أن تعتزم تركها.

ربما لاحظت أنك اضطررت إلى ثني الخافضات لوضعها في السلسلة. مع كل ثنية قمت بإضافة طاقة إلى النظام. هل شعرت كيف كانت السلسلة في حالة توتر، وكيف اضطررت إلى الإمساك بآخر خافضتي لسان لإبقائهما في مكانهما؟ عندما تركتهما تحرر كل هذا التوتر في تفاعل متسلسل. يبدأ التفاعل باستقامة آخر خافضات أضفتها. وهذا يحرر الخافضات التالية في السلسلة، وهلم جرًّا. سرعان ما تطير جميع العصي في الهواء، وتحرر الطاقة المخزنة فيها، ويصير لديك زوبعة من العصي المتطايرة حولك!

إذا جمَّعت سلسلتك وتركتها مدة يوم أو نحو ذلك، فربما تكون قد لاحظت أن الخافضات لم تقفز إلى العلو نفسه عندما حررت السلسلة. بمرور الوقت، تصبح الخافضات مطاوعةً تحت التوتر، وتنثني بشكل دائم. يُستنفد جزءٌ من الطاقة في ثني المادة (عادةً الخشب).

إذا حاولت تحرير السلسلة على سجادة أو أي أرضية لينة أخرى، فربما تكون قد لاحظت أيضًا أن خافضات اللسان لم تقفز إلى العلو نفسه. فلا يمكن للخافضات أن ترتد من الأرضية اللينة بالسهولة نفسها التي ترتد بها من الأرضية الصلبة؛ لأن الأرضية اللينة تمتص جزءًا من طاقتها.

ربما لاحظت أنه من الصعب نسج عصي مثلجات أقصر أو أكثر صلابة معًا.فمثل تلك العصي لا تنثني بسهولة. بدلًا من ذلك تنكسر، فهي ليست مناسبةً لتخزين طاقة الوضع المرنة.

More to Explore
Popsicle Stick Chain Reaction—STEM Activity, from Science Buddies
Build a Paper Roller Coaster, from Science Buddies
Ready…Aim…Energize! Make Your Own Cotton-Ball Launcher, from Scientific American
STEMonstrations: Kinetic and Potential Energy, from NASA
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

This activity brought to you in partnership with Science Buddies

Science Buddies