مفاهيم رئيسية

الفيزياء

ضغط الهواء

ضغط الماء

التوتر السطحي

مقدمة

هل تعلم أنه عند مستوى سطح البحر يضغط حوالي 15 رطلًا من الهواء على كل بوصة مربعة من جسمك؟ هذا الهواء مفيد جدًّا في حياتنا اليومية. على سبيل المثال، تساعد طبقة الهواء المحيطة بالأرض في حمايتها من البرودة الفائقة أو السخونة الفائقة، بل يمكنها أن تساعد في الحفاظ على زجاجة فيها ثقوب دون تسريب! جرِّب هذا النشاط لتعرف كيف.

خلفية

يغطي كوكب الأرض الغلاف الجوي، وهو غطاء من الغاز يبلغ سمكه 60 ميلًا. ومع أننا عادةً نظن أن الهواء ليس ممتلئًا بأي شيء، إلا أن كل الهواء يتكون من جزيئات صغيرة، لكلٍّ منها كتلة ضئيلة. نحن -وأي شيء آخر حولنا- نتعرض لوزن طبقة الغاز هذه في صورة ضغط، يسمى بالضغط الجوي. ومع ذلك، اعتدنا هذا الضغط لدرجة أننا نادرًا ما نلحظ وجوده. ولكن إذا كنت قد شعرت بـ"طقطقة" في أذنيك في أثناء صعودك أحد الجبال في سيارة، فقد لاحظت تغيُّرًا في ضغط الهواء. في أثناء الصعود بسيارة على ارتفاع، تضغط عليك طبقات أقل من الهواء، في حين يبقى ضغط الهواء الموجود داخل طبلة أذنك عند ضغط الهواء الموجود في الارتفاع المنخفض -على الأقل حتى تحدث "الطقطقة".

يتكون الماء أيضًا من جزيئات صغيرة لها كتلة. عندما يكون شيءٌ تحت الماء، فإنه يتعرض لضغط كل طبقات المياه فوقه. ولأن الماء أكثر كثافةً من الهواء، فإنه أثقل بكثير أيضًا. إن طبقة سُمكها حوالي 10 أمتار من المياه تخلق تقريبًا الضغط الناتج عن طبقة الهواء المحيطة بالأرض البالغ سُمكها 60 ميلًا. ربما شعرت من قبل بضغط الماء في أثناء الغوص في حمام سباحة عميق؛ فكلما زاد عمق الغوص شعرت بضغط أكبر من الماء على طبلتي أذنيك.

الماء له خاصية أخرى مثيرة للاهتمام: تحب جزيئاته البقاء معًا. الأمر يشبه وجود طبقة رقيقة حول أي مسطح مائي. يطلق العلماء على ذلك التوتر السطحي. يمكنك إدراك أثر التوتر السطحي عند النظر عن قُربٍ إلى قطرات الماء على سطح صلب؛ إذ تجدها تميل إلى التكتل معًا في صورة نقاط دائرية أو برك صغيرة، بدلًا من الانتشار بشكل مسطح متساوٍ.

في هذا النشاط، ستكتشف كيف يمكنك استخدام ضغط الهواء والتوتر السطحي للحفاظ على زجاجة فيها ثقوب دون تسريب.

المواد المستخدمة

  • زجاجة بلاستيكية قوية مع غطاء محكم الإغلاق (زجاجة بحجم 750 ملليلترًا إلى لترين تصلح بشكل جيد لهذا الغرض).
  • ماء (كمية كافية لملء الزجاجة).
  • أربعة دبابيس ضغط على الأقل.
  • مساحة قابلة للبلل لتنفيذ التجربة.
  • مقلاة طهي لها حافة.
  • حوض.
  • منشفة أو قطعة قماش للتنظيف.
  • المزيد من الزجاجات البلاستيكية القوية (اختياري).
  • المزيد من الماء (اختياري).

التجهيز

  • املأ الزجاجة بالماء، أغلق الغطاء بإحكام.
  • ضع الزجاجة على مقلاة الطهي، سوف تحجز المقلاة أي ماء قد يتدفق.

الخطوات

  • ادفع أربعة دبابيس ضغط على الأقل في جسم الزجاجة، على بُعد حوالي بوصة واحدة من قاعدتها. هل تسرَّب الماء؟ ولماذا؟ وماذا تتوقع حدوثه إذا سحبت الدبابيس؟
  • اسحب الدبوس الأول بحذر حتى تترك فتحة دائرية صغيرة في الزجاجة. هل ترى تيارًا مائيًّا يتدفق أم مجرد تنقيط؟ وما السبب في ذلك؟ وماذا تتوقع حدوثه عند سحب الدبابيس الأخرى؟
  • اسحب الدبابيس الأخرى بعناية من الزجاجة. حاول ألا تضغط على الزجاجة في أثناء سحب المسامير إلى الخارج. ماذا يحدث؟ وهل هذا ما توقعته؟ ولماذا؟
  • اضغط على الزجاجة واتركها. كرر ذلك عدة مرات. ماذا يحدث عندما تضغط على الزجاجة؟ وماذا يحدث عندما تتركها؟ ولماذا؟
  • انقل الزجاجة بعناية إلى الحوض. أمسك المنشفة تحتها لالتقاط أي قطرات. أمسك الزجاجة فوق الحوض، وافتحها. ماذا يحدث؟ ولماذا؟ وهل يمكنك العثور على وسيلة لوقف تيارات المياه؟
  • نشاط إضافي: اثقب جسم زجاجة أخرى على ارتفاعات مختلفة. يجب أن تكون جميع الثقوب أسفل مستوى الماء بكثير. هل تتوقع أن عمل ثقوب على ارتفاعات مختلفة سيغير النتائج؟
  • نشاط إضافي: حاول مرةً أخرى، ولكن اجعل آخر ثقب بالقرب من فوهة الزجاجة، حتى يتسنى للهواء أن يتدفق إلى داخل الزجاجة وخارجها. كيف يغير هذا الثقب الصغير النتيجة؟ ولماذا؟
  • نشاط إضافي: يطلب هذا النشاط عمل ثقوب دائرية صغيرة في الزجاجة. حاول أن تكرر النشاط مع ثقوب أكبر أو ثقوب غير منتظمة الشكل، ولاحظ تغيُّر النتائج. لماذا قد يهم حجم الثقب أو شكله؟

الملحوظات والنتائج

لم يتسرب من الثقوب على الأرجح إلا قطرات عندما ظلت الزجاجة مغلقةً دون الضغط عليها، في حين تدفقت تيارات المياه من الثقوب عند فتح الزجاجة أو ضغطها.

يحب الماء الالتصاق ببعضه، لذلك يتطلب الأمر بذل جهد لفصل تيار من المياه عن مسطح مائي. ما لم تضغط على الزجاجة -أو ما لم يضغط الهواء في الجو على السطح العلوي للماء- لن تتدفق أي تيارات من الثقوب الصغيرة.

يضغط الهواء خارج الزجاجة أيضًا على الماء بالقرب من الثقوب. إذا كان هناك متَّسع لتدفُّق الهواء إلى الداخل (عبر فتحة في أعلى الزجاجة مثلًا)، فقد يسمح الهواء الداخل بتسريب المياه من الفتحات. لكن في زجاجة محكمة الغلق، لا يمكن للهواء الدخول لملء فراغ أي مياه تقطرت إلى الخارج. لذلك عند مغادرة أي جزء من الماء للزجاجة، يقلل خروجه من ضغط الهواء داخل الزجاجة، مما يمنع الماء من التدفق. لكن إذا ضغطت على الزجاجة، فإنك تزيد من ضغط الهواء، ويمكن حينها أن يتدفق الماء.

إذا كانت الثقوب صغيرةً بدرجة كافية، فإن الماء يلتصق ببعضه بما يكفي لمنع الهواء من تكوين فقاعات بالداخل. إذا حاولت صنع فتحات أكبر، فربما تلاحظ أن فقاعات الهواء تتمكن من الزحف إلى الداخل بينما تتدفق المياه منها. وإذا أحدثتَ ثقبًا صغيرًا بالقرب من فوهة الزجاجة، فقد لاحظت بلا شك أنه حتى هذا الثقب الصغير يمكن أن يسمح بدخول هواءٍ إلى الزجاجة بما يكفي لجعل الماء يتدفق إلى الخارج.

More to Explore
Physics for Kids: Pressure, from Ducksters
Plug a Leaky Bottle with the Power of Air, from Scientific American
No Wonder My Ears Hurt When Flying, from Scientific American
Puffing Up Marshmallows, from Scientific American
Build a Water Strider, from Science Buddies
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

يأتيك هذا النشاط بالاشتراك مع «ساينس باديز» Science Buddies.

Science Buddies