المفاهيم الأساسية

الفيزياء

القوى

الاحتكاك

المساحة السطحية

 

مقدمة

في بعض الأحيان يمكن للاحتكاك أن يكون مزعجًا، إذ إنه قد يجعل من الصعب دفع أشياء ثقيلة مثل الأثاث المنزلي، بل إنه يمكن أن يتسبب لك بخدش عميق مؤلم إذا ما تعثرت وسقطت أرضًا. لكن الاحتكاك في واقع الأمر ظاهرة شديدة الأهمية، فلولاه لما استطعتَ أن تتحرّك على الإطلاق، بل وما كنت لتستطيع الإمساك بشيء! جرب هذا المشروع العلمي لتكتشف كيف يمكن أن يكون للاحتكاك تأثيرات مفاجئة، مثل أن يجعل فصل كتابين عن بعضهما أمرًا أقرب إلى الاستحالة.

معلومات أساسية

لا يمر يوم في حياتنا لا نصادف فيه الاحتكاك؛ فعندما تسير، الاحتكاك هو ما يمنع قدمك من أن تنزلق على الأرض. تخيل مثلًا لو أن كل سطحٍ تسير عليه كان زلقًا بالضبط مثل الأسطح الجليدية؛ عندها سيكون التحرك في الأنحاء أمرًا شديد الصعوبة! والاحتكاك هو نوع من القوة (قوة "الدفع" أو "السحب") يستطيع أن يؤثر في الأجسام.

وفي علم الفيزياء، تتحدد قوة الاحتكاك بين سطحَين بشيءٍ يُطلق عليه "مُعامِل الاحتكاك". وكلّما زاد مُعامِل الاحتكاك، ازداد مدى الاحتكاك بين سطحين، أي أنهما يصبحان أقل "انزلاقًا". على سبيل المثال، النعل المطاطي للحذاء الذي ترتديه وأرضية المنزل المكسوة بالسجاد بينهما مُعامل احتكاكٍ أكبر بكثير مما بين الزلاجات والجليد. ويعتمد مقدار الاحتكاك كذلك على شيء يُطلق عليه "القوة العمودية"؛ أي القوة التي تكون متعامدة على السطح. فكلما زادت القوة العمودية أدى هذا إلى زيادة الاحتكاك. على سبيل المثال، تخيل أن لديك صندوقين متماثلين من الكرتون على أرضية خشبية، أحدهما فارغ وخفيف للغاية، في حين أن الآخر ممتلئ بالأغراض وثقيل. في كلتا الحالتين، يكون مُعامل الاحتكاك (بين الكرتون والخشب) هو نفسه، لكن سيكون دفع الصندوق الأثقل على الأرض أصعب بكثير؛ لأن هناك قوة عمودية أكبر بين الصندوق والأرضية، وبالتالي هناك مزيد من الاحتكاك بينهما.

والآن فكر في الاحتكاك الذي يكون بين ورقتَين. إذا وضعت ورقتَين واحدة فوق الأخرى، فمن المفترَض أن يكون فصلهما سهلًا للغاية، أليس كذلك؟ فما الذي يحدث إذا ما تداخلت كتلتان ضخمتان من الأوراق، مثل صفحات كتابَين؟ هل سيظل فصل الأوراق سهلًا؟

جرب هذا النشاط العلمي المذهل لتعرف الإجابة!

أدوات التجربة:

  • كتابان متساويان في الحجم (ليس بالضرورة أن يكونا دليلي هاتف) أو مجلتان ضخمتان أو دفترا ملحوظات كبيران بأوراق عادية أو قابلة للصق.

الإعداد للتجربة

  • خذ الكتابين أو الدفترين وضَعْهُما على طاولةٍ مستوية بحيث يكون طرفاهما الذي تترابط منه أوراق الكتاب أو الدفتر كلٌّ منهما في عكس اتجاه الآخر.

خطوات التجربة

  • افتح الكتابين واجعل غلافيهما الخلفيين يتداخلان حتى منتصف المسافة على أقل تقدير.
  • ضع صفحات الكتابَين بعضها بين بعض، الواحدة تلو الأخرى، بحيث تطوي صفحة من الكتاب الأيسر ثم تطوي فوقها صفحة من الكتاب الأيمن، ثم تطوي فوقها صفحة أخرى من الكتاب الأيسر من جديد وهكذا.
  • استمر في طي الصفحات بالتبادل حتى يصل عددها إلى نحو اثنتي عشرة صفحة.
  • والآن حاول أن تفصل الكتابَين عن بعضهما. ما مدى سهولة فصل الكتابَين؟ هل تستطيع فعل ذلك؟ ماذا لو أنك جعلت الكتابَين معلّقَين في وضع رأسي بأن تمسك بكتابٍ واحدٍ منهما فقط؛ هل يستطيعان احتمال وزنَيهما؟
  • ابدأ من جديد بإدخال المزيد من الصفحات بين بعضها.
  • كرر عملية الاختبار السابقة مرة أخرى، باستخدام اختبارات مختلفة لترى إنْ كان بإمكانك فصل الكتابَين عن بعضهما. هل يستطيع الكتابان تحمّل وزنَيهما إن علقتهما رأسيًّا؟ هل تستطيع أن تلعب لعبة "شد الحبل" مع شخص آخر بحيث يجذب كلٌّ منكما أحد الكتابين لفصلهما؟
  • تابع أداء الاختبارات بعد إدخال المزيد والمزيد من الصفحات إلى أن تعجز عن فصل الكتابَين عن بعضهما. هل تفاجأت بمدى القوة التي يستطيع الكتابان تحملها؟ كم عدد الصفحات التي احتجت إلى تركيبها فوق بعضها إلى أن عجزت عن فصل الكتابَين؟
  • لتتمكّن من فصل الكتابَين عن بعضهما، قد تضطر إلى أن تعيد الصفحات -الواحدة تلو الأخرى- إلى مكانها الأصلي. كما يمكنك محاولة أن تثني الكتابَين بحيث يتخالفان، مما سيؤدي إلى أن تبدأ الصفحات في إحدى نهايتي كومة الورق في التباعد.
  • نشاط إضافي: كرر هذا النشاط باستخدام دفترَي الملحوظات اللَّذين فيهما أوراق مثقوبة وقابلة للنَّزع. انزع الصفحات من كلا الدفترين بحيث تحافظ على صفحة وتنزع الصفحة التي تليها مباشرة ثم تترك الثالثة وتنزع التي تليها وهكذا؛ ثم جرب الاختبارات المختلفة التي أجريتها سابقًا؛ هل تواجه الصعوبة نفسها التي واجهتها من قبل في فصل الدفترَين بعضهما عن بعض، أم أن شيئًا ما قد تغير؟ وما تفسيرك لذلك؟

الملحوظات والنتائج

من المفترَض أنك لَحَظت أن فصل الكتابَين عن بعضهما كان سهلًا للغاية عندما لم يكن متداخلًا منهما سوى صفحات قليلة. ولكن كلما ازداد عدد الصفحات المتداخلة، يصبح من الصعب بصورة مثيرة للدهشة فصل الكتابَين، بل وأنك تصل سريعًا إلى مرحلةٍ تعجز فيها عن فصلهما عن بعضهما! وعلى الرغم من أن المثال الكلاسيكي لتوضيح هذه التجربة هو استخدام دليلَي هاتف ضخمين، فإن التجربة تُطبق بنجاح كذلك على كتب أو دفاتر أصغر بكثير، بما في ذلك دفاتر الملحوظات ذات الأوراق القابلة للصق. والآن، انطلاقًا من المعلومات التي قرأتها في الجزء الخاصة بالمعلومات الأساسية، هل تستطيع تخمين السبب وراء هذه الظاهرة؟

كما تعلم فإن مُعامِل الاحتكاك في هذه التجربة ثابت لا يتغير؛ لأن السطحين من المادة نفسها (الورق). لكن يتضح أنك عندما تحاول أن تجذب الكتابين في محاولة لفصل بعضهما عن بعض، فإن الأوراق المتداخلة في المنتصف تنضغط معًا بقوة أكبر، وهذا يزيد من القوة العمودية بينها، وبالتالي يزيد الاحتكاك الإجمالي. وهذا يعني أنه كلما ازدادت قوة الجذب، ازداد الاحتكاك بينها، فتزداد صعوبة فصل الصفحات عن بعضها!

هناك العديد من العروض التوضيحية ومقاطع الفيديو المتعلّقة بهذه التجربة العلمية على شبكة الإنترنت، لكن عليك توخي الحذر عندما تقرأ عن هذه التجربة؛ إذ تنتشر العديد من المفاهيم المغلوطة والتفسيرات غير الصحيحة عن سبب هذه الظاهرة. وأحد المفاهيم المغلوطة الشائعة أن هذا التأثير ناتجٌ عن القوة العمودية من وزن جميع الصفحات التي يضغط بعضها على بعض. ولكن من غير الممكن أن يكون هذا صحيحًا لأن التجربة تثمر عن النتيجة نفسها إذا ما علَّقتَ الكتابَين رأسيًّا، إذ لا قوة عمودية في هذه الحالة ناتجة عن تأثير وزن كل صفحة على الصفحة التي تليها.

وأما التفسير الشائع المغلوط الثاني فهو أن "المساحة السطحية المتزايدة" الناتجة عن تداخل العديد من الصفحات معًا تؤدّي إلى مزيد من الاحتكاك. لكن هذا التفسير غير صحيح أيضًا؛ لأن كومة الورق العادية ستنفصل بسهولة على الرغم من وجود مساحات سطحية كثيرة متلامسة بين الأوراق. والواقع أن الأثر الذي نشهده في هذه التجربة يحدث لأن الأوراق المتداخلة في الوسط تنضغط معًا في أثناء محاولتك فصل الكتابَين عن بعضهما. ويمكنك أن ترى ذلك إذا ما نظرت إلى كتابَيك من الحافّة في أثناء إجراء التجربة؛ فعندما لا تجذب أيًّا منهما على الإطلاق -بل وحتى لو أنك دفعتهما باتجاه بعضهما قليلًا- ستلحظ وجود بعض الفراغات الصغيرة بين بعض الصفحات، ولكن عندما تجذب الكتابَين فإن هذه الفراغات تختفي بسرعة وتنبسط الصفحات مستوية تمامًا. جرّب تطبيق خطوة "النشاط الإضافي" في التجربة لترى كيف سيتغيّر هذا عندما تستخدم دفترَي ملحوظات مع إزالة صفحة وترك صفحة (سيؤدي هذا إلى أن يكون ارتفاع كومة الأوراق المتداخلة في المنتصف في نفس ارتفاع الغلاف الرابط لأيٍّ من الدفترَين، بدلًا من أن يكون في ضعف سُمكه، وبالتالي فإن الصفحات لا تنسحب باتجاه الداخل عندما تحاول فصل الدفترين عن بعضهما).