المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الاحتكاك

الأجسام الصلبة

السوائل

مقدمة

هل سبق لك أن حاولت أن تعتصر زجاجة بلاستيكية ليخرج منها العسل أو الدبس في أثناء تناولك الفطور في صباح يومٍ بارد من أيام الشتاء؟ هل لَحَظت حينها أن هذا الأمر يكون أصعب في الشتاء منه في الأيام الصيفية الحارة؟ لا عجب، فكلما ازدادت برودة السائل، ازدادت كذلك لزوجته أو مقاومته للتدفق. واللزوجة من خصائص السوائل التي يمكن أن تكون شديدة الأهمية في استخدامات مختلفة؛ بدءًا من كيفية انسياب الدبس من زجاجتك، إلى كيفية جريان الدم في جسم الإنسان، إلى كيفية انسياب الحمم من فوهات البراكين. وفي هذا المشروع، ستتعرف على بعض المعلومات عن اللزوجة من خلال إجراء سباقٍ لكرات اللعِب الزجاجية!

معلومات أساسية

يؤثر الاحتكاك في كل شيء حولنا؛ فهو ذاك الشيء الذي يجعل حذاءك يتشبث بالأرض كي لا تزل قدمك وهو ما يجعل الدراجة التي تقودها تتوقف عندما تضغط على المكابح. وهذا النوع من الاحتكاك هو قوة تقاوم الحركة بين جسمين صلبين. ولكن السوائل أيضًا لها قوة احتكاك كذلك؛ لكن احتكاكها لا ينحصر في الاحتكاك بالأجسام الصلبة فحسب (على سبيل المثال، الماء وأكواب الشرب) لكنه يشمل أيضًا الاحتكاك الداخلي، أي احتكاك السائل بنفسه. ويُطلق على هذا الاحتكاك الداخلي "اللزوجة". وللسوائل المختلفة درجات مختلفة من اللزوجة، وهو ما يعني أن بعض السوائل تتدفق بسهولة أكبر من غيرها. وستَلحَظ هذا إذا فكرت في ضخ الماء بقوة من زجاجة أو باستخدام مسدس رش الماء. تخيل مدى صعوبة تطبيق هذا لو أن السائل في الزجاجة أو مسدس الرش كان دبسًا باردًا بدلًا من الماء!

وهناك وسائل عديدة ومختلفة يمكن للعلماء بها قياس لُزوجة أي سائل؛ ومن بين هذه الوسائل "قياس اللزوجة باستخدام الكرة الساقطة"، وهو أسلوب قياس يتطلب أن تُسقِط جسمًا كروي الشكل (مثل كرة اللعب الزجاجية أو البلية) في أنبوب مملوء بسائل. وبقياس كم يستغرق سقوط الكرة والمسافة التي تقطعها، يمكنك تقدير لزوجة السائل. ولن تحتاج إلى إجراء أي حسابات في هذا النشاط؛ ولكن سيتسنى لك إجراء "سباق" لكرات اللعب الزجاجية من خلال إسقاطها في سوائل مختلفة. هل ستؤثر اللزوجة على مدى سرعة سقوط الكرات؟ جرب هذا النشاط لتعرف الإجابة!

أدوات التجربة

  • نحو 12 كرة لعب زجاجية متساوية في الحجم
  • كوبان زجاجيان -على الأقل- شفافان ومتساويان في الحجم (كلما ازداد طول الأكواب كان ذلك أفضل)
  • سوائل متنوعة من المستخدمة في المطبخ والتي يُسمَح لك باستخدامها، مثل الماء والدبس والعسل ودبس السكر، وزيت الزيتون، والزيت النباتي، وما إلى ذلك
  • مصفاة
  • سطح مستوٍ لا مشكلة في أن تُسكَب عليه السوائل (مثل الماء والزيت)؛ أو يمكنك استخدام وسيلة وقاية (مثل كيس بلاستيكي كبير الحجم من أكياس القمامة) ليوضع على السطح
  • اختياري: أوانٍ/أوعية إضافية و/أو قمع (لحفظ السوائل التي تستخدمها في هذا النشاط وإعادة استخدامها مرة أخرى، إذا لم تكن ترغب في التخلص منها)
  • اختياري: شخص يتطوع لمساعدتك على رؤية أيٍّ من الكرات الزجاجية يصل إلى قاع الكوب أولًا. 

الإعداد للتجربة

  • إذا كنت تريد الاحتفاظ بالسوائل التي تستخدمها في هذا النشاط وإعادة استخدامها فيما بعد، احرص على أن تغسل الكرات الزجاجية والأكواب جيدًا بالماء والصابون، ثم جففها جيدًا. وبذلك ستضمن نظافتها فلا تتلوث السوائل التي تستخدمها.
  • جهز مساحة عمل على السطح المستوي، وتأكد أنها مجهزة لأي حادثة انسكاب السوائل بالخطأ (مثل الماء أو الزيت أو غيرها).

خطوات التجربة

  • املأ الكوبين الزجاجيين (أو أكثر) بالسوائل المختلفة التي أعددتها، بحيث يكون كل سائل في كوب منفصل ويمتلئ الكوبان حتى نفس الارتفاع. (وتجنُّبًا لأن تُسكب السوائل عندما تُسقط فيها الكرات الزجاجية، لا تملأ الأكواب حتى الحافة).
  • ما السائل الذي تعتقد أنه يتمتع بأكبر قدر من اللزوجة؟ هل تستطيع معرفة ذلك في أثناء صب السوائل في الأكواب؟ هل تعتقد أن الكرة ستسقط بسرعة أكبر خلال أحد السوائل تحديدًا؟
  • أمسِك كرة واحدة بكل يد، بحيث تكون مباشرة فوق سطح السائل الموجود في كل كأس.
  • راقب ما يحدث في كل كأس بانتباه؛ واستعد لترى أي الكرتين يصل إلى القاع أولًا. وإذا كان هناك شخص متطوع يساعدك، اطلب منه أن يراقب التجربة معك.
  • أسقِط الكرتين الزجاجيتين في الوقت نفسه بالضبط.
  • راقب عن كثب أيهما يصل إلى القاع أولًا.
  • أي من الكرتين الزجاجيتين فاز في "السباق"؟ هل النتائج تتفق مع توقعاتك؟
  • أعِد التجربة باستخدام بضع كرات أخرى لترى إذا كنت ستتوصل إلى النتائج نفسها (واحرص في كل مرة على استخدام كرات زجاجية نظيفة وجافة).
  • إذا كان لديك أكثر من نوعين من السوائل، تستطيع إجراء السباق في السوائل الأخرى لترى ما سيحدث.
  • ما السوائل التي تسقط خلالها الكرات بسرعة أكبر؟ وما السوائل التي تسقط خلالها الكرات بأقل سرعة؟
  • نشاط إضافي: ما الذي يحدث إذا أسقطت في السوائل أنواعًا مختلفة من الكرات (مثل كرات حديدية بدلًا من الكرات الزجاجية) أو كرات ذات أحجام مختلفة؟ هل تختلف نتائج السباق؟
  • نشاط إضافي: ما الذي يحدث إذا غيرت درجة حرارة سائلٍ ما؟ اطلب من شخصٍ بالغ أن يساعدك في تبريد بعض الدبس في الثلاجة وتسخين البعض الآخر على الموقد أو في الميكروويف. ما الذي يحدث إن أجريت السباق مستخدمًا دبسًا باردًا أو دافئًا بدلًا من دبسٍ في درجة حرارة الغرفة؟ كيف تؤثر الحرارة على لُزوجة السائل؟ هل تأثير الحرارة أقوى في بعض السوائل من تأثيره في بعض السوائل الأخرى؟

الملحوظات والنتائج

عندما صببت السوائل، ربما تكون قد لَحَظت أن بعضها كان "أكثر كثافة" أو أن صبه كان أصعب. تلك هي السوائل الأكثر لُزوجة. يمكنك أن تفكر في طبيعة هذه السوائل عندما تستخدمها كل يوم. على سبيل المثال، ما الذي سيحدث إذا صببت الماء على بعض الفطائر؟ هل سيجري ببطء عليها كما يفعل الدبس أم أنه سينتشر بسرعة شديدة؟ ماذا لو حاولت صب كأس من الدبس وشربه؟ إذا تناسيتَ للحظة اختلاف الطعم (وكذلك الجانب الصحي)، هل سيكون ذلك أصعب من شرب كأسٍ من الماء؟

لا بد وأنك لَحَظت أن سقوط الكرات الزجاجية خلال السوائل الأكثر لُزوجة (مثل الدبس) كان أبطأ من سقوطها في السوائل الأقل لُزوجة (مثل الماء). ويرجع هذا إلى أن السوائل الأكثر لُزوجة تتمتع بمقاومة أكبر للانسياب، مما يجعل انتقال الكرة خلالها أكثر صعوبة. ولكن قد يكون من الصعب تمييز الاختلاف بين نتائج التجربة في بعض السوائل، وبخاصة إذا لم تكن الأكواب طويلة بما يكفي. لذا من الضروري أن تُجري عدة تجارب، وأن يتطوع شخص ما لمساعدتك على مراقبة الكرات.

إنهاء التجربة

إذا أردت أن تحتفظ بما تبقى من السوائل للاستخدام مستقبلًا، اطلب من شخص بالغ أن يساعدك على إعادتها إلى أواني الحفظ والتخزين، (استعمل المصفاة لإزالة الكرات الزجاجية)؛ وإلا فاطلب من شخص بالغ مساعدتك في التخلص من السوائل بطريقة مناسبة. وانتبه إلى أن التخلص من بعض السوائل اللزجة (مثل زيت الطبخ) في الحوض قد يؤدي إلى انسداده.