المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

السوائل

الهندسة الرياضية

علم الهندسة

تمهيد

هل بإمكانك التفكير في طريقة تجعل المياه تتدفق صعودًا دون استخدام الكهرباء؟ نجح اليونانيون القدماء (الإغريق) في اكتشاف وسيلة تمكِّنهم من فعل ذلك! فقد ابتكروا أداةً تسمى شادوف أرخميدس؛ لرفع المياه من نقطة إلى أخرى. أثبتت هذه الأداة فائدتها العظيمة، حتى إنها لا تزال تُستعمل على نطاق واسع حتى يومنا هذا. في هذا النشاط، سوف تبني بنفسك شادوف أرخميدس المدار يدويًّا الخاص بك، مستعينًا بخامات بسيطة.

نظرة تاريخية

وُلِدَ أرخميدس في مدينة سرقوسة في القرن الثالث قبل الميلاد. وكان يهوى حل المشكلات، ويُعَد واحدًا من أهم مخترعي عصره. وأمر الملك أن يبني أرخميدس أكبر سفينة ممكنة. لكن تبيَّن أن المياه ترشح إلى داخل السفينة، واضطر أرخميدس إلى اختراع أداة تزيل الماء من السفينة. لذا صمم ما نعرفه اليوم باسم شادوف أرخميدس. واتسمت هذه الأداة بالفاعلية الفائقة؛ إذ نجحت في تفريغ المياه من السفينة، ولم تحتَجْ سوى إلى فرد واحد فقط لتشغيلها. وسرعان ما استُعمل شادوف أرخميدس في نقل المياه من المناطق المنخفضة صعودًا إلى قنوات الري. ويتسم تصميم الشادوف بالفاعلية الفائقة، لدرجة أنه ما زال يُستعمل حتى عصرنا الحديث. فهو يُستعمل مثلًا في رفع مياه الصرف في محطات معالجة المياه، بل وحتى في رفع المياه في بعض ألعاب الملاهي. إنها أداة عصرية حقًّا دون أدنى شك.

يعتبر شادوف أرخميدس أحد أشكال المضخات موجبة الإزاحة. إذ تقوم المضخات موجبة الإزاحة بحبس الموائع من مصدر ما، ثم تدفعها للتحرك نحو موقع تفريغها. ويتكون شادوف أرخميدس من أسطوانة مجوفة، وجزء حلزوني (يمكن للجزء الحلزوني أن يكون بداخل الأسطوانة، لكن في هذا النشاط ستضعه خارجها). يوضع أحد طرفي الأسطوانة في مصدر المائع المنخفض، ويوضع الطرف الآخر مائلًا إلى أعلى في منطقة تفريغ أكثر ارتفاعًا. وكل ما عليك فعله لتحريك المياه هو أن تدير الجزء الحلزوني من الشادوف. ومع تحرك الشادوف، يغرف كميةً صغيرةً من المياه رافعًا إياها إلى الجيب الأول. وفي الدورة التالية للشادوف، يتحرك محتوى الجيب الأول من المياه إلى الجيب الثاني وتدخل غَرفة جديدة من المياه إلى الجيب الأول مجددًا. ومع استمرار الحركة، تخرج الغَرفَة الأولى من المياه في الطرف الآخر العلوي من الشادوف.

تكثر العوامل التي تحدد مدى كفاءة عمل شادوف أرخميدس؛ مثل طوله، وزاويته، ونصف قطره، وغيرها من العوامل. وسوف تقوم في هذا المشروع ببناء شادوف أرخميدس الخاص بك وتجربته. بل يمكنك أيضًا، إذا شئت، أن تحاول تغيير تصميم الشادوف؛ لتكتشف كيف يمكنك جعله أسرع في رفع المياه!

المواد المستخدمة

  • ماسورة مصنوعة من الكلوريد متعدد الفينيل (يبلغ قطرها بوصة واحدة على الأقل، وطولها قدمًا واحدًا على الأقل).
  • أنبوب مصنوع من الفينيل الشفاف (يبلغ قطره ربع بوصة على الأقل، وطوله قدمين على الأقل، ويمكن العثور على هذه المواد في كثير من متاجر المعدات).
  • شريط لاصق.
  • مقص.
  • وعاءان لحفظ الماء.
  • جسمان لرفع أحد الوعاءين، كصندوقين صغيرين، أو اثنين من الأوعية الإضافية.
  • مكان عمل مهيأ يتحمل انسكاب السوائل.
  • شخص بالغ كمساعد في النشاط.
  • منشفة من القماش لتنظيف الانسكابات. (اختياري)
  • ملونات غذائية. (اختياري)
  • مواسير مصنوعة من الكلوريد متعدد الفينيل، مختلفة الأقطار والأطوال. (اختياري)
  • أنابيب مصنوعة من الفينيل مختلفة الأقطار. (اختياري)

التحضير

  • اربط أحد طرفي أنبوب الفينيل بأحد طرفي ماسورة الكلوريد متعدد الفينيل، باستخدام الشريط اللاصق. وتأكد من أن الفتحة المؤدية إلى الأنبوب مفتوحة (وليست مسدودةً بالشريط اللاصق).
  • لف الأنبوب حول الماسورة بإحكام في شكل حلزوني.
  • اربط الأنبوب بالطرف الآخر للماسورة باستخدام الشريط اللاصق، مع الحرص أيضًا على ألا يسد الشريط اللاصق فتحة الأنبوب.
  • استعن بمساعدة أحد البالغين في استعمال المقص؛ لقص أي زوائد من الأنبوب.
  • إذا لزم الأمر استخدم المزيد من الشريط اللاصق للمباعدة بين أجزاء الأنبوب على طول الماسورة على نحوٍ متساوٍ.

إجراء التجربة

  • املأ أحد الوعاءين بالماء. ويمكنك، إذا شئت، أن تضيف الملونات الغذائية؛ لتجعل من السهل رؤية الماء وهو يمر داخل الأنبوب.
  • ارفع الوعاء الثاني (الفارغ) بحيث يصبح أعلى من الوعاء الأول.
  • ضع أحد طرفي شادوف أرخميدس في وعاء الماء المنخفض، ثم حاذِ الطرف الآخر فوق الوعاء المرتفع.
  • أدر الشادوف بحيث يقوم الطرف السفلي من الأنبوب "بغرف" الماء مع كل دورة. ينبغي أن ينغمس هذا الطرف أسفل الماء ثم يعلو مرةً أخرى فوق سطحه مع كل دورة، بحيث لا يبقى مغمورًا تمامًا أسفل سطح الماء طوال الوقت. في حال لم ترَ أن الأنبوب بدأ يمتلئ بالماء بعد بضع دورات، فربما تلف الشادوف في الاتجاه الخطأ. حين تنظر إلى الشادوف من الجانب، ماذا ترى؟ كيف يتوزع الماء داخل الأنبوب؟
  • استمر في إدارة الشادوف، وراقب الماء وهو يتحرك إلى أعلى متجهًا إلى الوعاء المرتفع!
  • جرِّب استخدام شادوف أرخميدس بطرق مختلفة. واستنتج إلى أي ارتفاع يمكنك رفع الماء؟ وارفع الوعاء المرتفع، وأمِل الشادوف إلى أعلى بزاوية أشد انحدارًا. هل وصلت إلى مرحلة بدأ عندها الماء في التدفق العكسي عائدًا إلى أسفل بدلًا من التدفق إلى أعلى؟
  • خطوة إضافية: جرِّب تصميم شادوف أرخميدس بطرق مختلفة. واكتشف ماذا يحدث إذا غيرت المسافات بين اللفات الحلزونية للأنبوب، بحيث تجعل اللفات أقرب أو أبعد عن بعضها؟ ماذا لو غيرت قطر ماسورة الكلوريد متعدد الفينيل، أو قطر الأنبوب؟

الملحوظات والنتائج

كيف ينجح شادوف أرخميدس في رفع الماء إلى أعلى؟ عندما تثني الأنبوب ليتخذ شكلًا حلزونيًّا، يكوِّن جيوبًا فردية يمكن للماء أن يحتبس داخلها؛ لأن الأنبوب ينحني متجهًا إلى أعلى على كلا الجانبين. إذا ألقيت نظرةً جانبيةً على الشادوف، فسترى هذه الجيوب ممتلئة بالماء. ومع إدارة الشادوف، يقوم الشادوف بحبس جيوب متتالية من الهواء والماء، ويرتفع كل جيب مفرد إلى أعلى الشادوف وصولًا إلى الوعاء المرتفع. إذا أملت الشادوف إلى أعلى بزاوية شديدة الانحدار، فسيتجه أحد طرفي كل جيب فردي إلى الأسفل في نهاية المطاف، مما يتيح للماء أن ينساب نزولًا مرةً أخرى. ستكون رؤية هذه العملية أسهل ما تكون إذا نصبت الماسورة إلى أعلى في وضع رأسي، ولاحظ أنه في ذلك الوضع لن تكون هناك جيوب لـ"حبس" الماء، والحيلولة دون سريانها إلى أسفل.

More to Explore
Moving Water with the Archimedes Screw Pump, from Science Buddies
Archimedes, from Famous Scientists
Walking Water, from Scientific American
Heavy Lifting with a Lever, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

This activity brought to you in partnership with Science Buddies

Science Buddies