مفاهيم رئيسية

الفيزياء

الكيمياء

الكثافة

السوائل

مقدمة

ربما تعلم بالفعل أنه عندما توضع الأجسام الصلبة في السائل، فإنها إما تغرق أو تطفو. ولكن هل تعلم أن السوائل أيضًا يمكن أن تغرق أو تطفو؟ في الواقع، يمكن أن تضع طبقات مختلفة من السوائل بعضها فوق بعض، ويحدث ذلك عندما يكون لكل سائل كثافة مختلفة. لتتمكن من وضع بعض السوائل فوق بعض، اختر سوائل مختلفة الكثافات أو استخدم سائلًا واحدًا وغَيّر كثافته بإضافة مواد كيميائية كالسكر أو الملح. حتى إنه بإمكانك أن تصنع قوس قزح كاملًا من الألوان في كوب زجاجي واحد، وذلك إذا اخترت سوائل ملونة أو أضفت ملون طعام إلى كل طبقة! أتريد أن ترى هذا بنفسك؟ في هذا النشاط العلمي سوف تضع سوائل عديدة بعضها فوق بعض، مكونًا عمودًا ملونًا من السوائل مختلفة الكثافات!

خلفية عامة

يعتمد طفو الشيء الصلب أو غرقه في سائل معين على كثافته مقارنة بكثافة السائل. وتتألف جميع أنواع المواد -سواء كانت صلبة أو سائلة- من ذرات كثيرة مختلفة. وبناء على كتل، وأحجام، وطريقة ترتيب تلك الذرات، تختلف المواد من حيث كثافتها. ولكل مُركب كثافة معينة، ويجري احتسابها باقتسام الكتلة على الحجم. وبعبارة أخرى، كلما زادت كمية المادة في حجم معين، زادت كثافتها. فعلى سبيل المثال، يكون سنتيمتر مكعب من الصخر أثقل من نفس هذا المقدار في الخشب. السبب في ذلك يرجع إلى وجود قدر من المادة في حجم معين في الصخر أكبر منه في الحجم نفسه من الخشب.

السوائل هي الأخرى يمكن أن تكون ذات كثافات مختلفة. فعلى سبيل المثال، تساوي كثافة الماء العذب جرامًا واحدًا تقريبًا لكل سنتيمتر مكعب في درجة حرارة الغرفة. فأي مادة، سواء كانت سائلة أم صلبة، ستغرق إذا كانت ذات كثافة أعلى من الماء، بينما ستطفو إذا كانت ذات كثافة أقل. يمكنك اختبار ذلك بنفسك عن طريق جمع عدد من السوائل من مطبخك كالزيوت النباتية، وشراب الذرة، والصابون المستخدم في غسيل الصحون، والماء، والكحول الـمُطَهِّر، وغيرها من السوائل. أيُّ تلك السوائل تظن أنه سيطفو أو يغرق في الماء؟ اكتشف ذلك بنفسك من خلال هذا النشاط!

الأدوات

كأس أو كوب زجاجي

ماء

ألوان طعام

مقص

شريط مطاطي (عريض)

قطعة صغيرة من الشمع

عصا آيس كريم

إناءان زجاجيان (برطمانان) على الأقل، بشرط أن يكونا صغيري الحجم وشفافين، أو كوبان صغيران (حجم أونصتين) بغطاء

قلم خطاط غير قابل للمحو

شريط لاصق

ثلاث ملاعق كبيرة

شراب ذرة داكن

زيت نباتي

قطعة نقود معدنية

فوط ورقية

كحول مطهر، صابون غسيل صحون، وسوائل أخرى (اختياري)

سكر (اختياري)

  •  
  • اجمع كل الأدوات الخاصة بك في مكان للعمل يتحمل انسكاب أنواع السوائل المختلفة.
  • املأ كوبًا بالماء من الصنبور وأضف إليه قطرتين من لون الطعام.
  • اطلب مساعدة شخص بالغ لقص قطع صغيرة من الشريط المطاطي، وعصا الآيس كريم، والشمع ( بأبعاد 0.5 سنتيمتر × 0.5 سنتيمتر).
  • ضع البرطمانين الصغيرين أمامك (من دون الغطاء)، وضع عليهما قطعتين من الشريط اللاصق، واكتب بالقلم الثابت على أحدهما "1" وعلى الآخر "2".
  •  
  • بواسطة ملعقة كبيرة نظيفة، خذ ملعقتين كبيرتين من شراب الذرة وضعهما في البرطمان "1".
  • باستخدام ملعقة المائدة الثانية، صب بعناية ملعقتين من الماء الملون في البرطمان "1" فوق شراب الذرة. ماذا يحدث للماء فوق شراب الذرة؟ هل اختلط به أم بقي منفصلًا عنه؟
  • استخدم الملعقة الكبيرة النظيفة الثالثة في صب ملعقتين من الزيت النباتي في البرطمان "1" فوق الماء الملون. هل ترى السوائل تختلط؟ ماذا يحدث للزيت؟ هل يطفو على السطح أم ينزل إلى القاع؟
  • والآن خذ البرطمان "2" الفارغ وأضف إليه نفس السوائل ولكن بترتيب عكسي. ابدأ بسكب ملعقتين كبيرتين من الزيت النباتي.
  • ثم أضف ملعقتين كبيرتين من الماء الملون فوق الزيت النباتي. ماذا يحدث للماء هذه المرة؟ هل سيبقى على السطح أم سينزل إلى القاع؟
  • ثم باستخدام ملعقة نظيفة، أضف بحرص ملء ملعقتين من شراب الذرة فوق الماء في البرطمان "2". هل يطفو شراب الذرة فوق السوائل الأخرى؟ أين يستقر بالمقارنة بالماء والزيت؟
  • انتظر دقيقةً أو دقيقتين حتى تستقر السوائل في البرطمانين "1" و"2". انظر بعد ذلك إلى كلا البرطمانين وقارن بينهما من حيث ترتيب طبقات السوائل. هل ثَمَّ فرق بين البرطمانين "1" و" 2"؟ هل كنت تتوقع النتيجة؟ لماذا برأيك تراصت الطبقات بعضها فوق بعض بهذا الشكل؟
  • والآن خذ البرطمان "1" وأغلقه بالغطاء، ثم اقلبه بعناية رأسًا على عقب وضعه على الطاولة مرة أخرى. راقب السوائل المختلفة. ماذا يحدث لكل سائل؟ كيف تراصت بعضها فوق بعض بعد قلب البرطمان رأسًا على عقب؟ هل كنت تعلم أن ذلك سيحدث؟
  • قارن بين البرطمان "1" المقلوب رأسًا على عقب والبرطمان "2" بعد مرور بضع دقائق. هل ترى أي اختلاف في طبقات السائل الآن؟ ماذا حدث لكل من السوائل؟
  • اجمع كل أشيائك التي قطعتها وقطعة النقود المعدنية وجهزها، ثم أسقط القطعة المعدنية في البرطمان "2". ماذا يحدث للقطعة المعدنية؟
  • بعد ذلك، خذ قطعة الشريط المطاطي وأسقطها داخل البرطمان "2". وباستخدام عصا الآيس كريم، ادفع الشريط المطاطي إلى أسفل البرطمان، لكن تأكد من عدم التصاقه بالقاع وأنه يستطيع أن يطفو بحرية، ثم اتركه. أين تستقر قطعة الشريط المطاطي؟ هل تطفو على السطح؟ أم في المنتصف؟ أم ترقد في القاع؟
  • والآن أسقط قطعة الشمع داخل البرطمان "2". مرة أخرى، ادفع قطعة الشمع إلى قاع البرطمان مع التأكد من عدم التصاقها بالقاع أو بالجوانب. يجب أن تكون قادرة على الطفو بحرية. ماذا يحدث لقطعة الشمع؟ أين تستقر بالمقارنة بالشريط المطاطي؟
  • وأخيرًا، أسقط قطعة عصا الآيس كريم في البرطمان "2". اغمرها باستخدام ملعقة أو عصا آيس كريم أخرى ثم انتظر حتى تستقر بين إحدى طبقات السائل. فوق أي طبقات السوائل تطفو قطعة عصا الآيس كريم؟
  • انظر إلى الأشياء الأربعة كلها التي أسقطتها في البرطمان "2" وقارن بين مواقعها. هل استقرت كلها في نفس السائل أم في سوائل مختلفة؟ إن كانت مستقرة في طبقات مختلفة، فلماذا حدث هذا برأيك؟
  • وفي النهاية، خذ البرطمان "1" المقلوب رأسًا على عقب ورجَّه بشدة. ضعه بعد ذلك على الطاولة (ضعه بوضعه الصحيح هذه المرة) راقب ما يحدث لمدة 5 إلى 10 دقائق. هل اختلط أيٌّ من السوائل عندما رججت البرطمان؟ كيف يبدو شكل الطبقات بعد مرور 5 إلى 10 دقائق؟
  • خطوة إضافية: باستخدام ثلاثة سوائل ( الزيت النباتي، وشراب الذرة، والماء الملون) ستجد أن هناك ستة ترتيبات مختلفة لإضافة السوائل فوق بعضها. جرِّب كل الترتيبات وغيِّر من ترتيب إضافة السوائل في كل مرة. هل سينتهي الأمر دومًا إلى النتيجة نفسها؟
  • خطوة إضافية: في هذا النشاط، كان لديك ثلاث طبقات من السوائل المختلفة. هل تستطيع أن تعثر على أيٍّ من السوائل الأخرى بالمنزل ليكون سائلًا رابعًا أو خامسًا؟ يمكنك أن تجرب الكحول المطهر أو صابون غسيل الصحون. أين سيستقران برأيك في عمود الكثافة الخاص بك؟
  • خطوة إضافية: يمكنك أن تصنع برج الكثافة باستخدام سائل واحد فقط، الماء مثلًا. عليك فقط أن تُغيِّر من كثافته عن طريق إضافة كميات مختلفة من السكر إليه. جرب ثلاث طبقات مختلفة من الماء، كلها بنفس الكمية، ولكن الأولى بملعقة سكر واحدة، والثانية بملعقتي سكر، والثالثة بثلاث ملاعق سكر. أضف لونًا مختلفًا لكل طبقة من طبقات الماء لكي تستطيع أن تميز بين الطبقات الثلاث. أي الطبقات توجد بالأعلى وأيها بالأسفل؟ كيف تتحكم كمية السكر في تغيير كثافة الماء؟ ماذا سيحدث هذه المرة عند رج البرطمان أو قلبه رأسًا على عقب؟
  • خطوة إضافية: حاول أن تجد أشياء مختلفة قد تغرق أو تطفو في مختلف طبقات عمود الكثافة. في أي الطبقات ستستقر هذه الأشياء؟
  • خطوة إضافية: يمكنك معرفة الفرق بين كثافة كل سائل من السوائل الثلاثة عن طريق سكب نفس الحجم من كلٍّ منها في كوب مختلف ثم وزنه. ما مقدار الاختلاف في الكتلة بينها؟ هل تتسق هذه النتائج مع ما توصلت إليه بشأن ترتيب طبقات السوائل بعضها فوق بعض؟

الملحوظات والنتائج

هل نجحت في وضع طبقات السوائل الثلاثة فوق بعضها لعمل عمود كثافة ملون؟ في واقع الأمر، لا يهم أي الطبقات وضعتها قبل الأخرى في البرطمان، ففي النهاية سينتهي الأمر بنفس ترتيب الطبقات؛ إذ سيقبع شراب الذرة في القاع، وفوقه الماء الملون في المنتصف، ثم الزيت النباتي في الأعلى. يرجع السبب في ذلك إلى أن شراب الذرة كثافته أعلى من السائلين الآخرين، إذ تبلغ نحو 1.4 جرام لكل سنتيمتر مكعب، بينما تبلغ كثافة الماء نحو جرام واحد لكل سنتيمتر مكعب في درجة حرارة الغرفة. أما الزيت النباتي فهو أخف من الماء، إذ تبلغ كثافته نحو 0.9 جرام لكل سنتيمتر مكعب، ولذا يطفو فوق الماء. حتى لو قلبت البرطمان رأسًا على عقب، فإن الطبقات ستُرَص في ترتيبها الأصلي نظرًا لكثافاتها المختلفة. أما لو قمت بالخطوة الإضافية في النشاط ووزنت حجمًا متساويًا من كل سائل، فلا بد أنك رأيت أن شراب الذرة هو الأثقل، ويليه الماء ثم الزيت النباتي.

استقرت الأشياء التي أسقطتها في البرطمان "2" في طبقات عمود الكثافة المختلفة كلٌّ على حسب كثافته. إذ استقر الشريط المطاطي على الأرجح فوق طبقة شراب الذرة، بينما سقطت القطعة النقدية المعدنية إلى قاع البرطمان. ولا بد أن قطعة الشمع قد استقرت فوق طبقة الماء، أما عصا الآيس كريم فستلاحظ استقرارها فوق طبقة الزيت النباتي. وأخيرًا، إن كنت قد رججت البرطمان بشدة، فستلاحظ أن الزيت النباتي ما زال منفصلًا وموجودًا على السطح، بينما ستجد طبقتي شراب الذرة والماء قد أخذتا في الامتزاج وأصبح فصلهما ثانية أمرًا صعبًا. يرجع ذلك إلى قابلية السائلين المختلفين للامتزاج. فلو كان ثمة سائلان يتمتعان بتركيب كيميائي مختلف تمامًا ما يجعل أحدهما قطبيًّا والآخر غير قطبي، لَما امتزجا ولظلا منفصلين. وهذا هو ما حدث بالفعل مع الزيت الذي يُعَد سائلًا غير قطبي، والماء الذي يُعَد سائلًا قطبيًّا. في حين يمكن لشراب الذرة أن يمتزج بالماء ويذوب فيه، ويحدث ذلك عندما ترج البرطمان بشدة.

يمكنك أن تجرب المزيد من الأجسام والسوائل لزيادة عدد الطبقات في عمود الكثافة؛ والكثافة وحدها ستحدد أين ستستقر السوائل في عمود الكثافة!

تنظيف مكان التجربة

يمكنك أن ترمي كل محتويات البرطمانين في الصرف، مع تنظيف أي أثر للسوائل المنسكبة.

هذا النشاط مقدم لكم بالاشتراك مع ساينس باديز.