المفاهيم الأساسية
الفيزياء
الماء
التوتر السطحي
التماسك

مقدمة
هل لاحظت من قبل كيف يطفو الشعر بحُرية عندما يكون مغمورًا بالماء، ولكن عندما يكون محاطًا بالهواء عند كونه مبللًا يلتصق بعضه ببعض؟ يمكنك رؤية ذلك أيضًا في فرو الحيوانات: فعندما تهز الكلاب المبتلة نفسها، يلتصق شعرها ببعضه في خصلات. جرِّب هذا النشاط لتعرف لماذا يكون الشعر المبلل أقل انتفاشًا بكثير من الشعر الجاف!

الخلفية العلمية

قد يسمى الماء أيضًا H2O لأن أصغر كمية من الماء لا تزال في صورة ماء (وتسمى جزيء ماء) تتكون من ذرتي هيدروجين (H) وذرة أكسجين (O). وبمجرد أن يتكسر جزيء H2O، لا يعود ما لديك ماءً. وهذا الجزيء صغير للغاية؛ إذ تحتوي قطرة متوسطة من الماء (0.05 ملليلتر) على حوالي واحد ونصف سكستليون أو 1.500.000.000.000 مليار جزيء H2O!

أحيانًا يبدو كما لو كان هناك غشاء رقيق حول قطرة الماء يجعلها متماسكة. وهذا نتيجة للتوتر السطحي. تجذب جزيئات الماء بعضها بعضًا وتتماسك بشدة. وهذا السلوك يسمى التماسك. ويمكن للجزيئات أن تتحرك في الأنحاء بعضها بمحاذاة بعض ولكنها تبقى متصلة. وعندما يكون جزيء الماء في منتصف قطرة ماء، يكون منجذبًا لجميع جزيئات الماء المحيطة. يكون منجذبًا في كل الاتجاهات بالمقدار نفسه، لذا لا يكون هناك اتجاهٌ مفضل للحركة. إلا أن تلك لا تكون حالة جزيء الماء الواقع على حافة القطرة؛ فهذا الجزيء يتعرض للجذب من تلك الجزيئات داخل القطرة ولا يتعرض للجذب من جزيئات خارجها. فهو يتعرض للجذب باتجاه الداخل، وبهذا يتحرك نحو الداخل فحسب، فيجعل القطرة متماسكة.

إذا نظرت إلى الشعر -أو الفرو- المغمور بالماء وذلك المبلل غير المغمور بالماء، يمكنك رؤية تأثير التماسك والتوتر السطحي. في هذا النشاط سوف ترى هذا التأثير باستخدام فُرَش التلوين.

المواد المستخدمة

  • فرش تلوين (النوع المستدير يعمل بشكل أفضل؛ وإذا كان ممكنًا، اختر فُرشًا مختلفةً في السُّمك، وأنواع الشعيرات، إلى آخره).
  • وعاء أو حوض مملوء بالماء.
  • منشفة.

الإعداد للتجربة

  • اجمع المواد التي ستستخدمها في منطقة عمل، مع العلم أنها قد تتعرض للبلل.


الخطوات

  • ابدأ بفرشاة تلوين جافة. تأمل حزمة شعيراتها. ما هو شكلها؟ هل هي منتفشة أم ملساء؟ هل يمكنك التمييز بسهولة بين الشعيرات المفردة؟
  • ما الذي يمسك الشعيرات بعضها ببعض؟ ما مدى سهولة جذب إحداها جانبًا؟
  • بعد برهة، سوف تغمر الفرشاة بالماء. هل تتوقع أن تبدو حزمة الشعيرات مختلفة؟ إذا كان الأمر كذلك، كيف ولماذا يحدث هذا في اعتقادك؟
  • اغمر فرشاتك وراقب الحزمة وهي محاطة بالماء. هل تغير الشكل؟ هل تبدو أكثر انتفاشًا أم ملساء أكثر؟ هل يمكنك التمييز بين الشعيرات المفردة بالسهولة نفسها؟
  • كيف ستستجيب إحدى الشعيرات إذا حاولت جذبها إلى الجانب في رأيك؟ لماذا؟
  • ضع يديك في الماء وجرب مدى سهولة سحب شعيرة واحدة إلى الجانب.
  • هل كان الأمر مثلما توقعت؟ إذا كان لديك تفسيرٌ من قبل، فهل ترغب في تغييره؟
  • كيف ستبدو حزمة الشعيرات عندما تخرجها من الماء في رأيك؟
  • أخرج فرشاتك من الماء وراقب. ما شكل حزمة الشعيرات؟ هل هي منتفشة أم ملساء؟ هل يمكنك التمييز بسهولة بين الشعيرات المفردة؟ لماذا تظنها تبدو هكذا عندما تكون مبللةً وليست مغمورة؟
  • حاول أن تجذب شعيرةً واحدةً إلى الجانب. ما مدى سهولة الأمر؟
  • لقد جربت فرشاة تلوين واحدة فقط. وربما تختلف فرشاة تلوين أخرى! كرر هذا النشاط باستخدام فرشاة تلوين أخرى. هل يحدث الشيء نفسه؟
  • نشاط إضافي: انتبه إلى شعرك. كيف يتحرك عندما يكون جافًّا؟ كيف يتحرك عندما يكون مغمورًا بالماء؟ كيف يتحرك بعد خروجك من حوض الاستحمام؟ لماذا يحدث هذا؟
  • نشاط إضافي: راقب فرو الحيوانات عندما تكون مبتلة. هل يلتصق بعضه ببعض هو الآخر عندما يكون مبللًا ومعرضًا للهواء؟
  • نشاط إضافي: هل يمكنك العثور على أمثلة أخرى تكون فيها الصورة المبللة من الشيء ملتصقة ببعضها أكثر من الصورة الجافة؟ هل تعتقد أن هذا يمكن تفسيره أيضًا بالتوتر السطحي؟

الملحوظات والنتائج

الأرجح أن حزمة الشعيرات كانت منتفشة قليلًا عندما كانت جافةً أو مغمورةً بالماء. ربما أمكنك بسهولة التمييز بين الشعيرات المفردة وجذب إحداها إلى الجانب. ولكن ربما لم تتمكن من فعل هذا باستخدام حزمة شعيرات مبللة بمجرد خروجها من الماء.

عندما تجذب الشعيرات خارج الماء، تلتصق بها جسيمات ماء (جزيئات H2O). هذا ما نسميه "بللًا". نتيجة لكون الماء مادة متماسكة، تميل جسيماتها إلى أن تكون محاطةً بأخريات مثلها فيتقارب بعضها من بعض. وبفضل هذا السلوك، فإن جزيئات الماء تجعل الشعيرات المبللة المنفردة متلاصقةً بشدة. تتعرض جسيمات الماء الموجودة ناحية الخارج للجذب نحو جسيمات الماء في داخل حزمة الشعيرات. ويشار إلى هذا باسم التوتر السطحي، وهذا يجعل من الصعب شد شعيرة واحدة إلى الخارج.

عند غمرها في الماء، تكون الشعيرات مبللةً أيضًا، ولكن جسيمات الماء حولها يمكنها الحركة بحُرية في جميع الاتجاهات، يسمح هذا للشعيرات بالرفرفة في أي اتجاه. وتجف الفرشاة المبللة المعرضة للهواء حيث تتبخر جسيمات الماء، ويمكن للشعيرات الجافة أيضًا التحرك بحُرية لأنها مغمورة بالهواء. ويحدث هذا أيضًا مع شعر البشر أو فرو الحيوانات.

هذا النشاط مُقدم بالشراكة مع "ساينس باديز"