المفاهيم الرئيسية
الفيزياء
الالتصاق
التماسك
التوتر السطحي
الجاذبية

المقدمة

كيف تمتص الأشجار الماء وصولًا إلى وريقاتها؟ كيف تمتص المناشف الورقية سائلًا منسكبًا؟ هل ثمة ارتباط ما بين هذه الأشياء؟ جرِّب هذا المشروع لتتعرف على الخاصية الشعرية، وكرر شرحًا كلاسيكيًّا يعود تاريخه لأكثر من 100 عام مضت!

معلومات أساسية

هل نظرت من قبلُ بتدقيق إلى الماء داخل كوب زجاجي؟ قد تلاحظ أن سطح الماء ليس مستويًا تمامًا، بل يُشكِّل حافة صغيرة يطلق عليها "سطح هلالي"، وهي تلتف بمحاذاة حافة الكوب. يحدث هذا نتيجةً لقوتين: الالتصاق (التجاذُب بين جزيئات الماء والكوب)، والتماسك (تجاذُب جزيئات الماء بعضها لبعض). يؤدي التجاذب بين جزيئات الماء إلى حدوث التوتر السطحي، أو بعبارة أخرى الطريقة التي يبدو عليها سطح الماء مثل "بشرة" متمددة. يساعد التوتر السطحي في منع قطرات المطر من التفكك، ويسمح للحشرات مثل متزلجات المياه بالسير على الماء دون أن تغرق. كما يُسهم أيضًا في ارتفاع الماء بمحاذاة حافة الكوب: عند ارتفاع بعض جزيئات الماء إلى أعلى نتيجةً لانجذابها للكوب الزجاجي، ترفع معها جزيئات أخرى من السطح.

هذه الظاهرة التي يُطلق عليها الخاصية الشعرية تسمح بامتصاص الماء في فجوات صغيرة، فيبدو متحديًا للجاذبية. قد لا يبدو هذا أمرًا جللًا بالنسبة لسطح هلالي يبلغ ارتفاعه بضعة ملليمترات فحسب في كوب ماء. لكن ماذا عن منشفة ورقية تمتص الماء إلى ارتفاع يصل إلى بضع بوصات أو شجرة ترفعه إلى عشرات أو حتى مئات الأقدام؟ كيف يتأتى سحب الماء هكذا إلى هذا الارتفاع؟ في هذا النشاط سوف تستكشف كيفية تأثير حجم الفجوة على الارتفاع الذي يصل إليه الماء.

المواد المستخدمة

  • اثنان من إطارات الصور الصغيرة ذات الأغطية الزجاجية
  • اثنان من مشابك الورق
  • رباط مطاطي
  • صينية أو طبق
  • ماء
  • ألوان طعام
  • منشفة صحون


التحضير

  • اجمع أدواتك على سطح عمل يمكنه تحمُّل انسكابات ماء ملون بألوان الطعام.
  • إملأ صينية أو طبقًا بطبقة ضحلة من الماء وامزج بها بضع قطرات من ألوان الطعام.
  • أزل اللوحين الزجاجيين من إطاري الصور.

الطريقة

  • استخدم الرباط المطاطي لتثبيت اللوحين الزجاجيين بعضهما ببعض، واضعًا مشبكي الورق بين حوافهما المتقابلة كفواصل. هل تعتقد أن بإمكانك جعل الماء يتحدى الجاذبية؟
  • اغمس إحدى حواف اللوحين الزجاجيين (جانب بدون مشبك ورق) في الماء. ثبت اللوحين وانتظر بضع ثوانٍ. ماذا يحدث؟
  • افصل اللوحين الزجاجيين وامسحهما بمنشفة حتى يجفا.
  • استخدم الرباط المطاطي لتثبيت اللوحين بعضهما ببعض مجددًا، ولكن هذه المرة استخدم واحدًا فقط من مشبكي الورق على جانب واحد (بحيث يكون اللوحان الزجاجيان متلامسَين عند الحافة المقابلة).
  • اغمس إحدى حواف اللوحين الزجاجيين (أحد الجوانب المتاخمة للجانب الموضوع فيه مشبك الورق، وليس الجانب المقابل له) في الماء من جديد. ثبت اللوحين وانتظر بضع ثوانٍ. ما الذي يحدث هذه المرة؟
  • نشاط إضافي: جرب تعديل متغيرات الاختبارات، على سبيل المثال عن طريق استخدام ألواح من الزجاج أكبر حجمًا أو أصغر، أو أداة أكثر سمكًا أو أرفع كفاصل بدلًا من مشبك الورق، أو استخدم سائلًا مختلفًا، إلى غير ذلك. كيف تتغير النتائج؟

المشاهدات والنتائج

عند وضع مشبكي الورق بين لوحي الزجاج كفواصل، كان عرض الفجوة بينهما واحدًا في كل موضع. وعندما غمست حافة لوحي الزجاج في الماء، امتُص الماء لأعلى في الفجوة بفعل الخاصية الشعرية (ألوان الطعام أتاحت مشاهدة هذا). ونظرًا إلى أن الفجوة كان لها عرض ثابت في كل موضع، فلا بد أن يكون الماء قد صعد إلى الارتفاع نفسه على امتداد اللوحين.

عندما تُزيل أحد مشبكي الورق يحدث شيء مثير للاهتمام: عرض الفجوة الآن أكبر عند أحد الطرفين، وتضيق هذه الفجوة تدريجيًّا حتى تختفي ويتلامس اللوحان الزجاجيان. هذه المرة عندما تغمس اللوحين في الماء، سوف يصعد لأعلى كلما ضاقت الفجوة. يسمى الشكل الناتج قطعًا زائدًا. يوضح هذا كيفية رفع الخاصية الشعرية للماء إلى أعلى في الفراغات الأضيق. وعندما يزداد عرض الفجوة، يزداد وزن الماء بسرعة أكبر من القوة المتاحة لرفعه، وبالتالي لا يمكنه الصعود إلى الارتفاع نفسه. لذا إن أردت أن ترفع الماء عاليًا جدًّا (مثلما يحدث في رفع الماء في الشجرة من جذورها إلى أعلاها)، فستحتاج إلى فجوة ضيقة للغاية!

التنظيف
استخدم منشفة لتنظيف أي ماء مسكوب، وامسح اللوحين الزجاجيين إلى أن يجفا.