المفاهيم الأساسية

الفيزياء

القوى

التوتر السطحي

الكثافة

الطفو

مقدمة

هل سبق أن رأيت حشرات "متزلّج المياه" (تسمى أيضًا بقّ المياه، ومتزلّج البرك، وفراشات الماء، إلخ)؟ إنها حشرات تتقافز بسهولة على أسطح البرك والبحيرات والأنهار. كيف تفعل ذلك دون أن تغرق؟ جرِّب هذا النشاط لتعرف كيف يمكنها ذلك!

الخلفية العلمية

إذا ألقيتَ نظرة على حشرة متزلّج المياه، فقد تظنّ للوهلة الأولى أنها تطفو في المياه، تمامًا مثل قارب، ولكن إذا نظرتَ عن كثب، سترى أنها تستقر فوق سطح الماء دون أن تخترق السطح. كيف يمكن ذلك؟ الأمر يعتمد على قوة تسمّى التوتر السطحي، وهي قوة تعمل على سيقان متزلج المياه عندما تلمس الماء.

التوتر السطحي عبارة عن سحب عند سطح الماء يحدث لأن جزيئات الماء ينجذب بعضها إلى بعض قليلًا، وهذه الخاصية مسؤولة عن العديد من الظواهر المثيرة للاهتمام، مثل تكوّن الفقاقيع، وتكوّن قطرات الماء، وامتصاص النباتات للمياه من الأرض وفي هذه الحالة، يُكون التوتر السطحي طبقة رقيقة -أو غشاء- عند سطح الماء بحيث يكون من الصعب على الأجسام الخفيفة والصغيرة جدًا أن تخترقها.

ينجذب كل جسم إلى الأسفل بواسطة قوة وزنه، ويمكن للأجسام الموجودة على سطح الماء أن تبقى فوق السطح إذا كان السحب لأعلى بواسطة التوتر السطحي كافيًا لمعادلة الوزن. (ربما تتساءل: "مهلًا، كيف يمكن للتوتر السطحي أن يسحب شيئًا لأعلى؟"، أو "ألا يجب أن يدفع الماء حشرة متزلج المياه لأعلى لتحمل وزنها؟" جرِّب هذا النشاط ثم اقرأ قسم "الملاحظات والنتائج" لتعرف ذلك).

إن الأجسام المغمورة في الماء كليًا أو جزئيًا -مثل القوارب- تُدفع لأعلى بواسطة قوة الطفو، والتي تعادل وزنَ المياه التي يزيحها الجسم، فإذا كانت قوة الطفو أكبر من وزن الجسم، فإن الجسم سوف يطفو، وفي المعتاد، المواد التي لها كثافة أكبر من كثافة الماء (أي لها كتلة أكبر بالنسبة لكل وحدة حجم) -مثل المعادن- سوف تغرق.

غير أن القوارب المعدنية يمكنها الطفو لأنه يتم تشكيل هياكلها بحيث تزيح الكثير من المياه (أي تكون هناك مساحة كبيرة مملوءة بالهواء داخل القارب)، في هذا النشاط سوف تصنع نموذجًا لحشرة متزلج المياه باستخدام سلك معدني، وسوف ترى أنه يمكنك استخدام التوتر السطحي بدلًا من قوة الطفو لكي تجعل المعدن يطفو.

المواد المستخدمة

  • سلك رفيع (يمكنك شراء "سلك مغناطيسي" أو قطع سلك قديم مثل شاحن هاتف محمول، بعد الحصول على إذن بذلك).
  • قشَّارة أسلاك أو مقص (ستحتاجه فقط إذا كنت ستقطع سلكًا قديمًا)
  • صينية أو طاسة غير عميقة
  • ماء
  • مساعد بالغ (إذا كنت ستقطع سلكًا قديمًا)

الإعداد للتجربة

  • إذا كنتَ ستقطع سلكًا قديمًا، اطلب من المساعد البالغ أن يستخدم قشارة الأسلاك لإزالة العازل البلاستيكي، قد يكون هناك عدَّة أسلاك أصغر داخل السلك، وقد تكون لتلك الأسلاك عوازل بلاستيكية أيضًا، اسحب الأسلاك للخارج وجرِّدها من أي عوازل إلى أن تصل إلى المعدن، إذا لم تكن لديك قشارة أسلاك، اطلب من أحد البالغين أن يستخدم مقصًا أو سكينًا حادًا بحرص لتقشير العازل، ولكن مع الحذر من عدم قطع السلك كله.

  • املأ صينية أو طاسة غير عميقة بالماء.

الخطوات

  • اقطع ثلاث قطع من السلك، كل واحدة منها يتراوح طولها بين ثمانية إلى 10 سنتيمترات.
  • لف الأسلاك بإحكام حول بعضها عند المنتصف لتكوّن "جسم" الحشرة، سوف تمثّل النهايات غير الملتوية للأسلاك "السيقان" الستة للحشرة، ثلاثة سيقان على كل جانب، ابسط السيقان لكي توزّع وزن متزلج المياه بالتساوي.
  • اثنِ كل ساق من سيقان المتزلج على شكل حرف "U" طويل وسطحي غير عميق، وعندما تضع متزلج المياه على سطح صلب مستوي، يجب أن يستقر باعتدال على سيقانه الستة (أي إنه لا ينبغي أن تكون أيٌ من السيقان معلقة في الهواء)، ويكون الجسم مرتفعًا عن السطح، اضبط وعدِّل السيقان حسب الحاجة.
  • ضع متزلِّج المياه برفق في صينية أو وعاء الماء. ما الذي يحدث؟
  • إذا غرق المتزلج، حاول ضبط سيقانه، تذكر أن تتأكد من أنها متوازنة بحيث تلمس السيقان الستة جميعًا الماء، ويكون وزن الحشرة موزعًا بالتساوي، إذا وضعت إحدى السيقان في الماء قبل الأخريات، فسوف يكون كل وزن الحشرة مرتكزًا على هذه الساق، وسوف تغرق على الأرجح، وإذا ظلَّ جسم الحشرة لا يطفو، فحاول ضبط شكل السيقان، عليك أن تجعل أكبر جزء ممكن من السلك يلامس الماء، لذا احرص على أن يكون لكل ساق انحناء طويل ولطيف للغاية دون أي انثناءات حادة.
  • بمجرد أن تتمكن من جعل الحشرة المصنوعة من السلك تطفو، انظر بإمعان عند مواضع تلامس سيقانها مع الماء. ماذا ترى؟
  • جرِّب هز الوعاء أو الصينية لتصنع أمواجًا، أو رشّ بعض الماء فوق المتزلج لمحاكاة الأمطار. ماذا يحدث؟
  • نشاط إضافي: جرِّب صنع متزلج مياه باستخدام مواد مختلفة مثل سلك أكثر سمكًا أو حتى مشابك الورق. هل ما زال الأمر يفلح؟
  • نشاط إضافي: جرِّب إضافة أوزان صغيرة إلى المتزلج (مثل قطع صغيرة جدًا من شريط لاصق أو ورق). ما الوزن الذي يمكنك إضافته قبل أن يغرق؟

الملاحظات والنتائج

ربما تكون قد واجهت صعوبٍة في جعل متزلج المياه يطفو في بداية الأمر، من الضروري توزيع الوزن بالتساوي على جميع السيقان، ويجب أن تجعل أطول جزء ممكن من السلك ملامسًا للماء، يسمح هذا لأكبر قدر ممكن من التوتر السطحي بدعم وزن الحشرة. إذا لامست ساق واحدة فحسب المياه قبل باقي السيقان أو لامس جزء صغير فقط من كل ساق الماء، فسيكون كل وزن الحشرة مرتكزًا على جزء صغير من السلك، وسوف يخترق السطح.

بمجرد أن يخترق جسم الحشرة السطح، تغرق سريعًا لأن المعدن أكثر كثافة من الماء، يمكن للأمواج وقطرات المياه أن تخرق التوتر السطحي بسهولة ومن ثمَّ تتسبب في غرق الحشرة، كيف تبقى متزلجات المياه الحقيقية طافية إذا كان من النادر أن تظل المسطحات المائية الحقيقية ثابتة ومستوية تمامًا؟ إن أجسامها مغطاة بشعيرات صغيرة تحبس فقاعات هواء، مما يسمح لها بالصعود مرة أخرى سريعًا إلى سطح الماء بعد انغمارها.

إذا كنتَ قد نظرتَ عن كثب إلى حيث لامست سيقان الحشرة الماء، فلا بدَّ أنك لاحظت أنها تصنع انبعاجات صغيرة في سطح الماء، هذا ما يُمَكّن التوتر السطحي من سحب السيقان لأعلى، تخيَّل مجموعة من الأشخاص يمسكون بحواف ملاءة فراش ويشدّونها بقوة، ستكون الملاءة مستوية وأفقية بحيث يكون من الصعب في البداية تخيّل كيف يمكن لها أن تسحب أي شيء لأعلى، والآن تخيل رمي كرة في منتصف الملاءة، سوف تتدلّى الملاءة بعض الشيء ولكن الأشخاص الذين يشدّون الملاءة (مكوّنين التوتر السطحي) سوف يمنعون الكرة من الغوص لعمق أكبر. يعمل التوتر السطحي على سيقان متزلج المياه بطريقة مماثلة.

وأخيرًا، إذا حاولتَ استخدام سلك أكثر سمكًا أو مشابك ورق لصنع المتزلج، فقد يكون الأمر أصعب بكثير،   أو حتى مستحيلًا!

لأن التوتر السطحي يكون له تأثير أقوى نسبيًا على الأجسام خفيفة الوزن الصغيرة جدًا، لهذا السبب تكون متزلِّجات المياه صغيرة جدًا، ولهذا السبب أيضًا لا يمكنك أنت السير على سطح الماء، فحتى إذا حاولت بسط ذراعيك وساقيك، سيخترق جسمك سطح الماء.

هذا النشاط مقدّم لكم بالاشتراك مع "ساينس باديز".