المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

ضغط الهواء

الكثافة

السعة الحرارية

درجة الحرارة

المقدمة

إن التوقيت الأمثل للذهاب إلى الشاطئ والاسترخاء في مياه البحر المنعشة هو يوم حار من أيام الصيف. ولكن مياه البحر ليست وحدها التي تتسبب في هذا التأثير المنعش على الشاطئ. هل سبق لك أن لاحظت أنه دائمًا ما يكون هناك نسيم بارد يهب من البحر باتجاه الشاطئ؟ من أين تأتي تلك الرياح؟ في هذا النشاط سوف تبني نموذجًا للبحر والشاطئ لتكتشف ذلك، وعندها ستعرف سبب هبوب نسيم البحر!

معلومات أساسية

إذا طُلب منك وصف الرياح، فقد تقول إنها عبارة عن تحرُّك الهواء من مكان إلى آخر. ولكن هل فكرت من قبل في سبب تحرُّك الهواء؟ يبدأ الأمر مع تسخين الشمس لسطح الأرض. لا ترتفع درجات حرارة جميع الأسطح بالسرعة نفسها؛ فبعض الأسطح تحتاج إلى وقت أطول حتى ترتفع درجة حرارتها، في حين أن أسطحًا أخرى ترتفع درجة حرارتها وتصبح ساخنة في الحال. يرجع هذا إلى أن المواد المختلفة لها سعات حرارية مختلفة؛ فالأسطح ذات السعة الحرارية القليلة تَسخُن وتَبرُد بشكل سريع، وفي المقابل يستغرق الأمر وقتًا أطول بكثير في الأسطح ذات السعة الحرارية الكبيرة. السعة الحرارية للماء كبيرة نسبيًّا، وهذا يعني أن الماء يحتاج إلى الكثير من الحرارة لكي ترتفع درجة حرارته. في المقابل، تتميز رمال الشاطئ بسعة حرارية أقل، ولذا ترتفع درجة حرارتها بسرعة كبيرة نوعًا ما تحت الشمس المباشرة، وربما تكون قد لاحظت هذا إذا سبق لك المشي على رمال الشاطئ وأنت عاري القدمين. ولكن ما صلة درجات حرارة الماء والرمال بالرياح؟

ترتفع درجة حرارة هواء الشاطئ بفعل الرمال الساخنة. وتقل كثافة الهواء عند ارتفاع درجة حرارته، ومن ثَم يصعد هذا الهواء لأعلى. وينتج عن تمدد الهواء انخفاضٌ في ضغط الهواء (مقدار الضغط الناشئ عن الهواء على سطح الأرض في موضع محدد). يرتفع الهواء الدافئ لأعلى فيتسبب في خفض ضغط الهواء، وفي المقابل ينتج عن الهواء البارد عالي الكثافة ارتفاعٌ في ضغط الهواء. أما فوق سطح البحر، فتنخفض درجة حرارة الهواء نتيجة لانخفاض درجات حرارة مياه البحر، ويؤدي هذا إلى ارتفاع كثافة الهواء وينشأ حيز مكاني ذو ضغط هواء مرتفع.

هذا الفرق بين ضغط الهواء الموجود فوق الشاطئ وضغط الهواء الموجود فوق البحر هو ما يتسبب في حركة الهواء التي نشعر بها في صورة رياح. لإحداث توازن بين ضغط الهواء الموجود في كلا المنطقتين، يندفع الهواء من نطاق الضغط المرتفع (البحر) إلى نطاق الضغط المنخفض (الشاطئ) ويحل محل الهواء الصاعد. محصلة هذا التدفق الهوائي هي النسيم البارد الذي يهب من البحر في اتجاه الشاطئ. تعتمد قوة نسيم البحر على حجم الفرق بين درجتي الحرارة على اليابسة وفوق البحر؛ فكلما كان الفرق بين درجتي الحرارة أكبر، أدى ذلك إلى هبوب رياح أقوى. في أثناء الليل، يتحول نسيم البحر إلى نسيم يابسة، لأن الرمال تنخفض درجة حرارتها أسرع كثيرًا من انخفاض درجة حرارة مياه البحر بعد غروب الشمس، ويرجع هذا إلى أن الرمال تتميز بسعة حرارية أقل. وبمجرد أن تصبح الرمال أكثر برودةً من مياه البحر، ينعكس نمط تدفق الهواء. هل تريد أن تجرب ذلك بنفسك؟ اصنع نسيم البحر الخاص بك من خلال هذا النشاط. لن تحتاج إلى بحر حقيقي أو شاطئ حقيقي!

المواد المستخدمة

  • اثنان من أطباق الخبيز لهما الحجم نفسه، ويفضل أن يكونا من الزجاج
  • رمال تكفي لملء طبق واحد من طبقي الخبيز
  • مساحة عمل غير معرضة للرياح
  • إناء معدني
  • موقد
  • عود بخور
  • ولاعة
  • شخص بالغ يقوم بمساعدتك
  • ماء مثلج
  • ماء ساخن
  • مُجمِّد مواد غذائية.
  • صندوق كبير من الورق المقوّى (اختياري، إذا دعت الحاجة لحجب النسيم الآتي من الخارج)
  • مقياس حرارة (اختياري)

التحضير

  • ضع الرمال في الإناء المعدني، وبمساعدة الشخص البالغ سخِّن الرمال على الموقد حتى تصبح ساخنةً جدًّا لدرجة لا تستطيع معها لمسها (حوالي 70 إلى 80 درجة مئوية).

الطريقة

  • ضع الرمال الساخنة في طبق من طبقي الخبيز، وبحرص المس الرمال بأصابعك. ما مدى سخونتها؟
  • املأ طبق الخبيز الآخر بالماء المثلج. اختبر درجة حرارة الماء بأصابعك. ما مدى برودته؟
  • ضع الطبقين بعضهما إلى جوار بعض في مكان ليس فيه رياح آتية من الخارج. يمكنك استخدام صندوق الورق المقوّى لحماية الأطباق من أية تدفقات هوائية.
  • تأكد من عدم وجود أي حركة للهواء فوق الأطباق، وبعدها أشعِل عود البخور بمساعدة الشخص البالغ. بمجرد أن يبدأ عود البخور في إطلاق دخان كثيف، أمسِك به في وضع ثابت بين طبق الرمال وطبق الماء المثلج. راقب حركة الدخان فوق الطبقين لمدة دقيقة تقريبًا. إلى أين يتجه الدخان؟ هل ينساب في اتجاه طبق الرمال أم في اتجاه طبق الماء المثلج؟ هل يمكنك أن تفسر السبب؟
  • فرِّغ كلا الطبقين، ودع الرمال تبرد حتى تصل درجة حرارتها إلى درجة حرارة الغرفة. وبعدها املأ أحد الطبقين بالرمال المُبرَّدة إلى درجة حرارة الغرفة، ثم املأ الطبق الآخر بماء حرارته مساوية لدرجة حرارة الغرفة. الآن اختبر درجة حرارة الرمال ودرجة حرارة الماء بإصبعك. هل هناك اختلاف كبير في درجة الحرارة؟
  • من جديد، ضع الطبقين بعضهما إلى جوار بعض في المنطقة المحمية من الرياح. ثبِّت عود البخور نفسه بين الطبقين. في أي اتجاه يذهب الدخان هذه المرة؟
  • بعد ذلك، ضع طبق الرمال في المُجمِّد مدةً تتراوح بين 10 إلى 15 دقيقة. وبينما يتم تبريد الرمال، سخِّن الماء على الموقد إلى ما بين 70 و80 درجة مئوية. في الطبق الثاني تخلَّص من الماء الذي تبلغ حرارته درجة حرارة الغرفة وضع الماء الساخن مكانه.
  • بعد انتهائك من تبريد الرمال، ضع طبق الرمال الباردة إلى جوار طبق الماء الساخن في منطقتك المحمية من الرياح.
  • ثبِّت عود البخور بين الطبقين مرة أخرى، ولاحظ الاتجاه الذي يتحرك فيه الدخان. هل يتحرك في اتجاه الرمال أم في اتجاه الماء؟ هل يمكنك تفسير السبب؟
  • نشاط إضافي: كرِّر هذا النشاط مع فروقات أخرى بين درجتي حرارة الماء والرمال. ما حجم الفارق في درجتي الحرارة الذي يجب أن يكون هناك حتى يمكنك ملاحظة وجود نسيم بحر أو نسيم يابسة؟
  • نشاط إضافي: هل ستكون لديك ملحوظات مختلفة إذا كان الشاطئ من الحصى؟ استبدل بالرمال الحصى وكرر هذا النشاط لتعرف!
  • نشاط إضافي: كيف يمكن للرياح الآتية من الخارج أن تؤثر على النتائج التي توصلت إليها؟ أَبعِد حاجب الرياح أو كرر خطوات النشاط في منطقة عاصفة لترى كيف سيؤثر هذا على تدفقات الهواء الناتجة عن تجربتك.

تنظيف محيط التجربة

تأكد من إطفاء عود البخور جيدًا. تخلص من الرمال خارج المنزل إذا كان لديك إذن بذلك، أو تخلص منها في القمامة. نظف أطباق الخبيز بالماء الدافئ والصابون.

المشاهدات والنتائج

هل رأيت كيف كان بإمكانك بناء نموذج مصغَّر للشاطئ؟ لقد كان طبق الرمال يمثل الشاطئ، وكان طبق الماء يمثل البحر. لقد قمت بتسخين الرمال على الموقد على غرار ما تفعله الشمس عندما تقوم بتسخين رمال الشاطئ. عندما كانت درجة حرارة الرمال أعلى كثيرًا من درجة حرارة الماء، لا بد أنك قد رأيت دخان عود البخور ينساب بانتظام من طبق الماء إلى طبق الرمال. سريان الهواء هذا ينتج عن الفرق بين درجتي حرارة الرمال والماء. ترتفع درجة حرارة الهواء الموجود فوق الرمال الساخنة، ويبدأ هذا الهواء في الصعود على نحوٍ يتناسب مع انخفاض كثافته، ويتسبب هذا في نشوء حيز ذي ضغط هواء منخفض. تنخفض درجة حرارة الهواء الموجود فوق طبق الماء البارد وتزيد كثافة هذا الهواء، فينشأ حيز ذو ضغط هواء مرتفع. لإحداث توازن يعادل الفرق في ضغط الهواء بين الحيزين، يتحرك الهواء من الحيز ذي ضغط الهواء المرتفع (طبق الماء) إلى الحيز ذي ضغط الهواء المنخفض (طبق الرمال)، وينساب الدخان مع حركة هذا الهواء.

في حالة تساوي درجتي حرارة الرمال والماء –وهو ما حدث في الاختبار الثاني– لن يحدث تدفق للهواء. يرجع هذا إلى أن ضغط الهواء فوق الرمال كان مساويًا لضغط الهواء فوق الماء، وهذا هو السبب في عدم رؤيتك للدخان يتحرك في اتجاه معين، إلا إذا كان هناك تدفق لهواء آتٍ من الخارج. في الاختبار الأخير، كان بوسعك إحداث نسيم يابسة يسري من الرمال نحو الماء، وهذا هو ما يحدث خلال الليل: يتدفق الهواء من الشاطئ إلى المحيط. في تلك الحالة، تكون درجة حرارة الرمال أقل من درجة حرارة مياه البحر، فينعكس حينها اتجاه تدفق الهواء بسبب التغيرات في ضغط الهواء فوق الشاطئ والمحيط.

تم تقديم هذا النشاط بالشراكة مع "ساينس باديز".