المفاهيم الأساسية

الفيزياء

المواد

الضغط

الجيولوجيا

مقدمة

يُعدّ الصيف وقتًا جميلًا لتتنزّه على الشاطئ وتسير حافي القدمين على طول الساحل. فهل سبق أن نظرت إلى آثار أقدامك على الرمال الرطبة في أثناء ذلك؟ إذا كنت قد فعلت، فلعلّك لاحظت إذن أنه مع كل خطوة يبدو أن الرمال من حول قدميك تصبح جافةً. لماذا يحدث هذا؟ الإجابة هي أن آثار الأقدام الجافة هذه تنتج عن ضغط قدميك. وسوف تعرف بالضبط كيف يحدث هذا من خلال تجربة هذا النشاط الشاطئي!

الخلفية العلمية

تتكوّن العديد من الشواطئ من الرمال، التي تأتي بدورها من صخور فتتتها المياه والرياح إلى جسيمات صغيرة. والمواد المماثلة لتلك الرمال والمكوّنة من جسيمات صغيرة منفصلة تُسمّى بالمواد الحبيبية. وحتى عندما يبدو أن جسيمات الرمال يلتصق بعضها ببعض مباشرة، فبسبب أشكالها غير المنتظمة، تكون هناك مسافات صغيرة بينها. (فكّر في المسافات الشبيهة الفاصلة في كومة من الصخور الأكبر). وتسمى هذه المسافات بالمسام. وهناك العديد من المسام بين كافّة جسيمات الرمال الموجودة على الشاطئ.

إذا سكبت الماء على الرمال، يبدو أن الماء يختفي في الرمال. إنه لا يختفي فعليًّا، بل يغوص في المسام الصغيرة بين الحبيبات. وبمجرد امتلاء كل هذه المسام بالماء، تصير الرمال مشبعة، وهو ما يعني أن الرمال لا يمكنها احتواء المزيد من الماء. وعندما تضغط على هذه الرمال المُشبّعة، فإنك تتوقع على الأرجح أن المياه الموجودة في الرمال ستخرج من المسام مرةً أخرى، على غرار ما يحدث عندما تضغط على إسفنجة مبللة. غير أن هذا ليس ما يحدث، بل العكس تمامًا هو الصحيح؛ إذ يبدو أن المزيد من الماء يختفي في الرمال! والسبب في ذلك هو شيء يسمى بتمدُّدية المواد الحبيبية.

تعني التمدُّدية أن تتمدد المادّة عند الضغط عليها (أي عند تعرُّضها للضغط) بدلًا من أن تنكمش. ويحدث هذا لأن حبيبات الرمل عندما تتعرض للضغط يدفع بعضها بعضًا للابتعاد قليلًا، مما يجعل المسافات الفاصلة بينها أكبر، وهذا يعني أن يصير هناك متّسعٌ أكبر لتدفُّق المياه، وهو ما يخلق صورة أثر الأقدام الجافّة على الشاطئ. وبمجرد زوال الضغط، تستقر حبيبات الرمل في مواضعها بقرب بعضها من بعض مرةً أخرى، مما يترك مساحةً أقل للمياه. وفي هذا النشاط، سترى تأثير الرمال الرطبة حتى دون أن تضطرّ إلى الذهاب إلى الشاطئ!

المواد المستخدمة

  • وعاء
  • رمال
  • زجاجة ماء (ذات فوّهة ضيّقة)
  • بالونان كبيران (من الأفضل أن يكونا شفافين)
  • ماصتان شفافتان
  • شريطان مطاطيان
  • ورقة
  • ملعقة
  • ماء
  • منشفة
  • مكان مناسب للعمل لن يتضرر إذا انسكبت بعض المواد في أثناء التجربة 
  • زجاجة ماء بلاستيكية ذات فوّهة واسعة (اختياري)
  • مسطرة (اختياري)
  • شريط لاصق (اختياري)
  • قلم حبر دائم (اختياري)
  • مشبك على شكل حرف C (اختياري)
  • قطعتان من خشب الخردة (اختياري)

الإعداد للتجربة

  • استخدم قطعة الورق لصنع قُمع، ثم ضع فتحة القمع داخل فوّهة زجاجة الماء ذات الفوهة الضيّقة. بعد ذلك، ضع الرمال داخل الزجاجة من خلال القُمع مُستخدِمًا ملعقة، إلى أن تملأ الزجاجة بالرمال الجافة.
  • انفخ أحد البالونين، ثم مطّ فتحته عند فوهة زجاجة الماء، ثم اقلب الزجاجة رأسًا على عقب لتسكب الرمال بداخل البالون.
  • بمجرد صبّ كل الرمال في البالون، أزل البالون من فوّهة الزجاجة وأخرِج ما تبقّى من الهواء من البالون. أصبح البالون الآن ممتلئًا بالرمال فقط.
  • أضف الماء إلى الرمال داخل البالون حتّى تتشبّع الرمال ولا يمكنها امتصاص المزيد من الماء. (يمكنك استخدام أسلوب الزجاجة المقلوبة ذاته الذي استخدمته لوضع الرمال في البالون). عندما تتشبّع الرمال بالماء داخل البالون، سوف تبدو بلونٍ أغمق من جميع الجوانب. أين يذهب الماء عندما تسكبه على الرمال؟
  • عند تتشبع الرمال بالماء، أدخل الماصّة بداخل فتحة البالون، بحيث تكون نهايتها مغروسةً في الرمل الرطب. ثبّت الماصّة في مكانها باستخدام رباط مطاطي حول فتحة البالون.
  • املأ البالون الثاني بالماء، ثم أدخل الماصّة الثانية في عنق البالون، بحيث تكون نهايتها في الماء. ومرّةً أخرى، ثبّت الماصّة في مكانها باستخدام رباط مطاطي.

الخطوات

  • أمسك البالون المملوء بالماء من فوهته عند نقطة اتصاله بالماصّة، ولتجعله فوق الوعاء بينما تمسك به تحسّبًا لانسكاب الماء. أضف الماء بداخل الماصة إلى أن تمتلئ حتى منتصفها. في رأيك، ما الذي سيحدث للماء في الماصّة عندما تضغط على البالون؟
  • اضغط على البالون قليلًا بيديك، وراقب الماء داخل الماصّة. ماذا يحدث للماء بداخل الماصّة؟ هل هذا هو ما توقّعت حدوثه؟
  • ضع البالون المملوء بالماء جانبًا وأمسك البالون المملوء بالرمال، ثم أضف الماء مرةً أخرى إلى الماصّة إلى أن تمتلئ حتى منتصفها. ما الذي تتوقّع حدوثه هذه المرّة عندما تضغط على البالون؟
  • اضغط على البالون بكلتا يديك قدر ما تستطيع، وراقب ما يحدث للماء داخل الماصّة في أثناء الضغط على الرمال المشبعة بالماء. هل يرتفع منسوب الماء في الماصّة، أم ينخفض، أم يظلّ كما هو؟ هل يمكنك تفسير ملحوظاتك؟
  • الآن كفّ عن الضغط على البالون وهُزّه قليلًا بينما تراقب منسوب المياه في الماصّة. هل تغيّر مرَّةً أخرى؟ كيف؟
  • نشاط إضافي: جرب نسخة أكثر بساطة من هذا النشاط. ضع بعض الرمال في زجاجة مياه بلاستيكية ذات فوّهة واسعة حتى يمتلئ ثلاثة أرباعها، ثم أضف الماء حتى تتشبع الرمال ويكون لديك حوالي ربع بوصة من الماء فوق مستوى الرمال. والآن اضغط على زجاجة الماء بيديك. ماذا تلاحظ؟ وبينما تضغط، اقلب زجاجة الماء رأسًا على عقب فوق وعاءٍ. هل تَرى ماءً يقطر في الوعاء عند قلب الزجاجة؟ الآن توقّف عن الضغط على الزجاجة وهزّها قليلًا. ماذا يحدث؟ من جديد، اقلب زجاجة الماء رأسًا على عقب ولكن دون الضغط عليها. هل تسقط قطرات الماء في الوعاء هذه المرة؟
  • نشاط إضافي: ما المواد الحبيبية الأخرى التي يمكنك استخدامها للبرهنة على تأثير الرمال الرطبة؟ جرب الطين، أو الأحجار الزجاجية، أو "الرمال السحرية". هل تحصل على نتائج مماثلة؟
  • نشاط إضافي: حاول تحديد كمية المياه التي تختفي في الرمال اعتمادًا على الضغط الذي تمارسه على البالون. أمسك مسطرة بجانب الماصّة وضع علامات عليها كل ربع بوصة بقلم الحبر الدائم. وبدلًا من استخدام يديك للضغط على البالون، استخدم مشابك على شكل حرف C، على أن تكون ملفوفةً حول منتصف البالون. وللضغط على مساحة أكبر من البالون، يمكنك وضع قطعة من خشب الخردة على كل جانب من جوانب البالون قبل أن تضع مشبك حرف C. دوّن مقدار تغيُّر مستوى الماء مع كل حركة للمشبك.

 الملحوظات والنتائج

حين ضغطت على البالون المملوء بالماء، الأرجح أنك رأيت الماء يرتفع في الماصّة كما كنت تتوقع. ولكنك عندما ضغطت على البالون المملوء بالرمال الرطبة، رأيت مستوى الماء ينخفض على الأرجح، وهو الأمر الذي يبدو مناقضًا للبديهة. يحدث هذا لأنه تحت الضغط، تدفع جسيمات الرمال بعضها بعضًا لتتباعد فيما بينها، مما يجعل حجم الرمال يتمدد، وهذا يخلق مساحة أكبر من المسام بين جسيمات الرمال، يمكنها احتواء المزيد من الماء الموجود داخل الماصّة.

عندما تتوقّف عن الضغط على الرمال وتهز البالون قليلًا، تعود جسيمات الرمال إلى وضعها السابق الأكثر كثافة. ونتيجةً لذلك، يبدأ الماء الموجود داخل الماصّة في الارتفاع ببطءٍ مرةً أخرى بينما تقل مساحة المسام بين جسيمات الرمال. وهذا بالضبط هو ما يحدث عندما تصنع بقدميك آثارًا جافّة على الرمال الرطبة؛ فعندما تضغط قدماك على الرمال المشبعة بالماء، تتحرك حبيبات الرمال، وهو ما يخلق مساحةً أكبر للمسام تختفي المياه بداخلها. ومن ثمّ، تظهر الرمال المحيطة بقدمك جافة. وعندما ترفع قدمك –ويزول الضغط الواقع على الرمال– يخرج الماء من الرمال مجددًا. 

تنظيف محيط التجربة

أفرغ الماء من البالون المملوء بالماء وتخلَّص من البالونين، وكذلك الماصّتين، في سلة المهملات العادية.

More to Explore
Dilatant Sand, from Universities Space Research Association
Beach Bum Science: Compression of Wet Sand, from Science Buddies
All Mixed Up? Discover the Brazil Nut Effect, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

This activity brought to you in partnership with Science Buddies

Science Buddies