المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

الهواء

الضغط

الدوامة الهوائية

ديناميات الهواء

مقدمة

ها هي أحجية لتحزر ماذا يكون: أنا في كل مكان لكنك لا تراني، فمَن أنا؟ الجواب هو: الهواء! إنه في كل مكان حولنا، لكنه عادةً ما يكون غير مرئي. ومع ذلك يمكننا أن نرى التأثير الذي يُحدثه الهواء؛ مثلًا عندما تُحرك الرياح فروع الأشجار. يمكن للهواء التحرك بلطف فيصبح نسيمًا جميلًا، ويمكنه أن يتحول إلى إعصار عنيف ومدمر. لا تستطيع الرياح وحدها تحريك الأشياء من خلال الهواء، بل أنت أيضًا يمكنك فعل ذلك طالما أن هذه الأشياء ليست ثقيلة للغاية! يمكنك، على سبيل المثال، النفخ في شيء ما، أو يمكنك صنع مدفع هوائي يطلق دفعات من الهواء في.. الهواء! هل تشعر بالفضول لمعرفة كيف يعمل ذلك؟ إذًا جرِّب هذا النشاط لتكتشف!

معلومات أساسية

على الرغم من أن الهواء غير مرئي، إلا أنه يتكون من جزيئات مختلفة، معظمها جزيئات الأكسجين، والنيتروجين، وثاني أكسيد الكربون. عندما تهب الرياح في وجهك، يمكنك بالفعل الشعور بهذه الجزيئات تضغط عليك. لكن ما الذي يجعل الجزيئات تتحرك لتصنع الرياح؟ يتحرك الهواء بسبب اختلافات في ضغط الهواء. إنه يتحرك دائمًا من مناطق الضغط الجوي المرتفع إلى مناطق الضغط الجوي المنخفض. ويمكن أن تحدث الاختلافات في ضغط الهواء نتيجةً للاختلافات في درجة الحرارة على سبيل المثال. ويمكنك أيضًا نقل الهواء فعليًّا وإنشاء مناطق ذات ضغط جوي مرتفع وأخرى ذات ضغط جوي منخفض عن طريق "دفع" الهواء المحيط بك أو التلاعب به. إن البحث في كيف ولماذا يتدفق الهواء يُسمى علم ديناميات الهواء. إحدى الظواهر البديعة لتدفق الهواء تأتي في صورة دوامة حلقية تبدو وكأنها حلقة هواء على شكل كعكة دائرية محلاة. من النادر ملاحظة هذه الحلقات إلا إذا كان هناك بعض الجسيمات في الهواء، كالبخار أو الدخان، اللذَين يجعلان الدوامات الحلقية مرئية.

في هذا النشاط ستتمكن بنفسك من صنع مثل هذه الدوامة الهوائية باستخدام مدفع دوامات تصنعه أنت! باستخدام هذا الجهاز سوف تصنع دفقةً من الهواء تنطلق عبر فوهة. يعمل الهواء سريع الحركة على إزاحة الهواء الموجود خارج الفوهة، وحينها يدور هذا الهواء الخارجي في حركة دوامية على هيئة كعكة دائرية. يتشكَّل الهواء بهذه الطريقة لأن الهواء الذي يترك الكوب من مركز الفوهة ينتقل انتقالًا أسرع من الهواء الموجود حول حافة الفوهة. إن الفرق في ضغط الهواء بين الهواء سريع الحركة داخل حلقة الدوامة والهواء البطيء المتدفق خارجها يجعل الدوامة تدور، مما يبقيها مستقرة في أثناء تحرُّكها خلال الهواء. من خلال بعض الممارسة سوف تتمكَّن من جعل دوامتك الهوائية سريعة الحركة للغاية لدرجة أنك قد تكون قادرًا على إسقاط كوب ورقي بواسطتها!

المواد المستخدمة

  • اثنان من الأكواب البلاستيكية التي تُستعمل لمرة واحدة، أحدهما بمقاس 8 أوقيات (ربع لتر تقريبًا) والآخر بمقاس 16 أوقية (نصف لتر تقريبًا).
  • مقص
  • مساعدة من أحد البالغين
  • بالونات
  • ورق تواليت
  • شريط لاصق
  • شريط قياس
  • قلم جاف
  • ورقة

التحضير

  • علِّق ﺑﻌﺾ أشرطة ورق التواليت على إطار أحد الأبواب باستخدام شريط لاصق.
  • افرد ورق التواليت في أثناء استخدامك لشريط القياس، وذلك لتقيس مترًا واحدًا تقريبًا (ثلاثة أقدام)، وثلاثة أمتار تقريبًا (تسعة أقدام)، وخمسة أمتار تقريبًا (15 قدمًا) تبدأ من إطار الباب. ضع علامات مميزة على ورق التواليت لتحديد كل واحدة من هذه المسافات.
  • ارسم دائرة قطرها أربعة سنتيمترات (1.5 بوصة) على قاع كل كوب.
  • بمساعدة من شخص بالغ، استخدم المقص لقص الدائرة من كل كوب.
  • انفخ اثنتين من البالونات لتمديد رقعة سطحهما، ثم فرِّغهما من الهواء.
  • اربط عقدة في رقبة كل بالونة، ثم اقطع طرف البالون.
  • غَطِّ الجزء العلوي من الكوب باستخدام البالون، على أن تكون الرقبة المربوطة للبالون إلى الخارج.
  • ﺗﺄﮐد ﻣن لصق اﻟﺑﺎﻟون ﺑﺈﺣﮐﺎم على جوانب اﻟﮐوب؛ فأنت بحاجة إلى أن يكون الإﻏﻼق غير مُنفذ للهواء!

الطريقة

  • ابدأ بالكوب الأصغر. تدرب على إطلاق مدفع الهواء عن طريق شد عقدة البالون وإطلاقها. حاول شد البالون بالمسافة نفسها في كل مرة للحصول على القدر نفسه من القوة التي تدفع الهواء للخارج. ماذا يحدث إذا فعلت ذلك؟ هل تستطيع سماع صوت؟ هل تشعر بأي شيء أمام الكوب؟
  • قف عند علامة متر واحد أمام ورق التواليت وأطلق مدفعك الهوائي باتجاه ورق التواليت المعلق. هل يتحرك ورق التواليت؟ هل تتحرك الأشرطة كلها أم بعضها فقط؟
  • انتقل بعد ذلك إلى علامة الأمتار الثلاثة وأطلق مدفعك الهوائي على ورق التواليت. هل ما زال ورق التواليت يتحرك؟ أكثر أو أقل مما كان عليه الأمر من عند علامة المتر الواحد؟
  • أخيرًا، اذهب إلى علامة الأمتار الخمسة، ومرة أخرى وجِّه دفقة الهواء إلى ورق التواليت. هل ما زلت ترى ورق التواليت يتحرك؟ ِلمَ نعم؟ أو لِمَ لا؟
  • الآن استخدم مدفع الدوامات الأكبر وكرر الخطوات نفسها. هل تتغير نتائجك وفق حجم مدفع الهواء؟ إذا كان الجواب نعم، فكيف؟ هل يمكنك إطلاق الهواء لمسافة أبعد بالكوب الصغير أم بالكوب الكبير؟ لماذا تعتقد أن الأمر يحدث على هذا النحو؟
  • نشاط إﺿﺎﻓﻲ: اﺳﺘﺨﺪم أكوابًا أكبر أو أصغر ﻟصنع اﻟﻤﺰﻳﺪ ﻣﻦ اﻟﻤﺪافع اﻟﻬﻮاﺋﻴﺔ. ما أبعد مدى يمكنك جعل دوامة الهواء تصل إليه؟ هل يمكنك تحديد العلاقة بين حجم مدفعك الهوائي والمسافة التي تصل إليها الدوامة الهوائية؟
  • نشاط إﺿﺎﻓﻲ: حاول تغيير حجم فوهة الخروج الموجودة في قاع الكوب. هل يتصرف مدفعك الهوائي بشكل مختلف في وجود فوهة أصغر أو أكبر؟ كيف؟
  • نشاط إﺿﺎﻓﻲ: حاول صنع مدفع هوائي على شكل متوازي مستطيلات. هل يعمل مدفع الهواء المصنوع من صندوق بالجودة نفسها التي يعمل بها مدفع الهواء المصنوع من كوب؟ حاول أن تكتشف ذلك!
  • نشاط إضافي: ﻣاذا ﻳﺤﺪث إذا ﻗﻤﺖ ﺑشد اﻟﺒﺎﻟﻮن لمسافة أكبر للحصول على ﻗﻮة أكبر لدفع الهواء ﺧارج الكوب؟ هل يؤثر ذلك على السرعة التي تنتقل بها دوامة الهواء أو المسافة التي تقطعها؟

الملحوظات والنتائج

هل استطعت تحريك ورق التواليت عن طريق إطلاق دوامة هواء عليه؟ إن دوامة الهواء -التي هي في الأساس عبارة عن دفعة هوائية- تنطلق من الكوب بسرعة كبيرة لدرجة أنها تدفع ورق التواليت، ولذا يبدأ ورق التواليت في التحرك. يعمل مدفع دوامات الهواء من خلال التطبيق السريع لقوة واقعة على جزيئات الهواء داخل الكوب. وعندما ينطلق سطح البالون بسرعة خاطفة إلى الأمام فإنه يتصادم مباشرةً مع جزيئات الهواء داخل الكوب، فيدفع هذه الجزيئات سريعًا نحو فوهة نهاية الكوب. يبدأ هذا الدفع تفاعلًا متسلسلًا من التصادمات عالية السرعة مع جزيئات الهواء الأخرى، والمهرب الوحيد للجزيئات يكون عبر فوهة نهاية الكوب. لا بد أنك قد سمعت صوت الـ"بوف" الناتج عن الهواء الذي يخرج سريعًا من خلال الفوهة، وذلك في كل مرة كنت تستخدم فيها مدفعك الهوائي.

بعدها يمتزج الهواء سريع الحركة مع الهواء الساكن خارج الكوب، فتتشكل الدوامة. ونظرًا لوجود ضغط هواء أعلى خارج الحلقة (نتيجةً لتحرُّك الهواء المحيط ببطء) وضغط أقل في داخلها (نتيجة لتحرك الهواء في الدوامة بشكل أسرع)، فإن الدوامة تدور وتبقى متماسكةً في أثناء انتقالها عبر الغرفة. في نهاية المطاف، تنهار تلك الحلقة التي تشبه الكعكة الدائرية ثم تختفي. يجب أن تكون قد لاحظت أنه باستخدام مدافع أكبر للدوامات يستغرق اختفاء دوامة الهواء وقتًا أطول، وهذا يعني أنها انتقلت لمسافة أبعد. ويرجع هذا إلى أنك في هذه الحالة تكون قادرًا على دفع كمية أكبر من الهواء خارج المدفع. إن معايير التصميم الأخرى، مثل حجم الفوهة وشكلها أو شكل المدفع (الكوب في مقابل الصندوق)، لها أهميتها أيضًا. إلى جانب هذا، إذا أمددت غشاء البالون بالمزيد من القوة عن طريق سحب البالون لمسافة أبعد، فستجعل الدوامة تنتقل لمسافة أطول؛ لأن الهواء يتم دفعه إلى خارج الكوب على نحوٍ أسرع.

اكتشف المزيد

أنشطة العلوم لجميع الأعمار! من "ساينس باديز".

تم تقديم هذا النشاط بالشراكة مع "ساينس باديز".