المفاهيم الرئيسية
الفيزياء
الطقس
الهواء
الضغط الجوي

المقدمة
هل سبق لك أن شاهدت نشرةً جويةً على التلفاز؟ إذا كنت قد فعلت، فربما تكون قد لاحظت الحرفين ’’H‘‘ و’’L‘‘ يتحركان على خريطة أحوال الطقس. عادةً ما يُشير هذان الحرفان إلى مناطق ’’الضغط المرتفع‘‘ (H) ومناطق ’’الضغط المنخفض‘‘ (L). الضغط الذي يتحدثون عنه هو الضغط الجوي. يمكن للتغيرات في الضغط الجوي أن تتنبأ بالتغيرات قصيرة المدى في الطقس. لكن كيف لك أن تعرف إذا تغير الضغط الجوي، أو ما إذا كان مرتفعًا أم منخفضًا؟ لقد طور العلماء أداةً تسمى البارومتر، وهي أداة يمكنها قياس الضغط الجوي. في هذا النشاط سوف تكتشف كيف يعمل البارومتر من خلال صنع بارومتر خاص بك!

معلومات أساسية

يحيط بسطح الأرض طبقة من الهواء تسمَّى الغلاف الجوي. يبلغ سُمك الغلاف الجوي حوالي 300 ميل، ومعظمه يقع في نطاق 10 أميال من سطح الأرض. يتكون الهواء من جزيئات لغازات مثل النيتروجين، والأكسجين، وثاني أكسيد الكربون، وهذه الجزيئات كلها تضغط على سطح الأرض، وهذا الضغط يسمَّى ضغط الهواء أو الضغط الجوي.

قد تتفاجأ عندما تعلم أن الهواء له وزن، بالرغم من أنك لا تشعر بهذا الوزن. لقد تطورنا نحن البشر بحيث أصبح الضغط داخل أجسامنا يعادل الضغط الخارجي الخاص بالغلاف الجوي. إلا أنك تستطيع أن تشعر بالتغيرات في الضغط الجوي؛ فعلى سبيل المثال، إذا سافرت على متن طائرة، قد تبدأ في الشعور بالألم في أذنيك، ويرجع هذا إلى أنه عند الارتفاعات العالية، يكون ضغطك الداخلي أكبر من الضغط الخارجي. وفقط عندما تعادل بين الضغطين الداخلي والخارجي عن طريق ’’فرقعة‘‘ أذنيك، سوف تتوقف أذناك عن إيلامك.

تكون أعلى قيمة للضغط الجوي عند مستوى سطح البحر، ويقل الضغط الجوي كلما صعدت عاليًا في الغلاف الجوي. وعند مستوى سطح البحر يتراوح ضغط الهواء في الحالة الطبيعية بين 800 و1,050 ميللي بار. أما أعلى قمة جبل إيڨرست، فيقل ضغط الهواء بحوالي 30 في المئة! ويتغير ضغط الهواء بتغير الارتفاع وتغير درجة الحرارة. الهواء الدافئ كثافته أقل ولذا يصعد لأعلى، وينتج عن ذلك انخفاض في ضغط الهواء. وعندما يصعد هذا الهواء فإنه يبرد ويتحول إلى بخار ماء، وهذا البخار يتكثف بعدها ويتحول إلى سائل. ويؤدي هذا إلى تكوُّن السحب وسقوط الأمطار. ولذلك يرتبط الضغط المنخفض في العموم بالطقس الغائم والممطر. ومن ناحية أخرى، يؤدي الهواء البارد عالي الكثافة إلى ارتفاع ضغط الهواء. وعند هبوط الهواء البارد، يجف وتنتج عنه ظروف جوية دافئة وجافة في مناطق الضغط المرتفع.

الآن أصبحنا نعرف كيف يمكن لضغط الهواء أن يساعدنا على التنبؤ بأحوال الطقس، إلا أننا ما زلنا نحتاج إلى معرفة كيف يمكننا قياس ضغط الهواء. لعمل هذا، طوَّر العلماء جهاز البارومتر. هناك أنواع متعددة من البارومترات، وأحد هذه الأنواع هو البارومتر المائي، وفيه يُحكم إغلاق الماء داخل وعاء زجاجي ذي صنبور ضيق يصل الخارج بالداخل. عندما يزداد ضغط الهواء الخارجي فإنه يضغط على الماء في الصنبور، مما يؤدي إلى انخفاض مستوى الماء. وعندما يضغط هواء بدرجة أقل (ضغط هواء منخفض) على الماء داخل الصنبور، يرتفع مستوى الماء. في هذا النشاط سوف تصنع نسخةً مشابهةً لهذا البارومتر. هل تعتقد أن هذا البارومتر يمكنه التنبؤ بطقس الغد؟

المواد المستخدمة

  • برطمان زجاجي مقاوم للحرارة
  • رباط مطاطي يلائم فوهة البرطمان الزجاجي
  • بالون
  • سيخ خشبي
  • مقص
  • شريط لاصق
  • ورق
  • قلم
  • ثلاث سلطانيات
  • ماء صنبور (ساخن وبارد)
  • مكعبات ثلج
  • مناشف ورقية
     

التحضير

  • اقطع فوهة البالون وتخلص منها، ثم مط قطعة البالون المتبقية حول فتحة البرطمان الزجاجي، بحيث تغلفها بإحكام.
  • ثبت البالون على البرطمان بواسطة الرباط المطاطي.
  • ألصق نهاية السيخ الخشبي أفقيًّا على البالون، بحيث يشير الطرف المدبب بعيدًا عن البرطمان.
  • املأ السلطانية الأولى بماء على درجة حرارة الغرفة، واملأ السلطانية الثانية بماء ساخن (كن حذرًا مع الماء الساخن، واطلب مساعدة أحد البالغين إذا لزم الأمر)، واملأ السلطانية الثالثة بماء مثلج.
  • ضع البارومتر الخاص بك بالقرب من أحد الحوائط، بحيث يكون السيخ موازيًا للحائط.
  • ألصق قطعةً من الورق على الحائط خلف البارومتر.
  • ارسم خطًّا على الورقة بحيث يكون هذا الخط محاذيًا لطرف السيخ.
  • ضع علامةً عند موقع البارومتر. سوف تحتاج إلى وضع البارومتر في البقعة نفسها لاحقًا في أثناء النشاط.


الطريقة

  • خذ البارومتر وضع البرطمان الزجاجي في سلطانية الماء الساخن. يجب ألا يتخطى مستوى الماء الرباط المطاطي. ماذا تلاحظ في البارومتر؟ هل تلاحظ أية تغيرات؟ إذا كان الأمر كذلك، ما هي تلك التغيرات؟
  • بعد دقيقة واحدة، أخرج البارومتر من الماء، وجففه سريعًا، وضعه في البقعة نفسها بالقرب من الحائط حيث لصقت الورقة. ارسم خطًّا آخر على الورقة بحيث يكون الخط محاذيًا لطرف السيخ المدبب. إلى أين يشير الطرف الآن؟ كيف تغير البارومتر؟
  • ضع البارومتر في الماء ذي درجة حرارة الغرفة. من جديد، لاحظ ما يحدث. أبق على البارومتر في السلطانية لحوالي 10 دقائق. بعد مرور 10 دقائق، كيف يبدو البارومتر مختلفًا عما كان عليه في السابق؟
  • بعد 10 دقائق، ضع البارومتر مجددًا في بقعته بالقرب من الحائط وارسم خطًّا آخر على الورقة حيث يشير السيخ. ماذا تلاحظ هذه المرة؟
  • بعد ذلك ضع البارومتر في سلطانية الماء المثلج لحوالي دقيقة واحدة. ماذا يحدث للبارومتر في الماء المثلج؟ ما الاختلافات التي تلاحظها؟
  • من جديد ضع البارومتر أمام مخططك المرسوم على الورقة، وارسم خطًّا آخر حيث يشير طرف السيخ. هل يمكنك تفسير ملحوظاتك؟
  • ضع البارومتر في سلطانية الماء ذات درجة حرارة الغرفة، وكرر الخطوات مرة ثانية. إلى أين يشير طرف السيخ هذه المرة؟ لماذا؟
  • نشاط إضافي: كرر الاختبارات باستخدام ماء ذي درجات حرارة مختلفة. كيف تتغير النتائج مع درجات الحرارة الأخرى؟
  • نشاط إضافي: خذ البارومتر إلى الخارج لقياس الضغط الجوي. ارسم مقياسًا كالمسطرة على قطعة أخرى من الورق. وبعدها ضع المخطط بجوار البارومتر بحيث يكون خط المنتصف محاذيًا لطرف السيخ. اترك البارومتر في الخارج لعدة أيام، وكل يوم ضع علامة عند المكان الذي يشير إليه طرف السيخ. ما الذي يعنيه تحرك الطرف إلى أعلى أو إلى أسفل على المقياس؟

الملحوظات والنتائج

هل تمكنت من قياس التغير في ضغط الهواء باستخدام البارومتر الخاص بك؟ في الواقع، خلال هذا النشاط عملتَ على قياس تغيرات ضغط الهواء داخل البرطمان الزجاجي، وليس تغير ضغط الهواء الخارجي. وإذ إنه لا يمكننا تغيير ضغط الهواء الخارجي بأنفسنا، فقد قمنا بتغيير ضغط الهواء داخل البرطمان الزجاجي للتدليل على كيفية عمل بارومتر البالون.

عندما تُحكم غلق البرطمان الزجاجي بواسطة البالون، يكون هناك ضغط محدد للهواء داخل البرطمان الزجاجي. من المفترض أن يكون طرف السيخ الخشبي عند مستوى قمة البرطمان الزجاجي، إذ إن سطح البالون مستوٍ تمامًا. إلا أنه عند وضع البرطمان الزجاجي في الماء الساخن، ترتفع درجة حرارة الهواء الموجود داخل البرطمان، ومن ثم فإن هذا الهواء يتمدد. ولأن البرطمان مغلق بإحكام بواسطة البالون، لا يجد الهواء مهربًا يخرج منه، فيبدأ البالون في الانتفاخ. ويرجع هذا إلى أن ضغط الهواء داخل البرطمان الزجاجي يرتفع ويضغط على البالون. وكنتيجة لهذا، يشير السيخ الخشبي إلى الأسفل. وعندها يكون الخط الذي رسمته تحت الخط الأصلي.

وعند وضع البالون في ماء على درجة حرارة الغرفة، يبرد الهواء من جديد حتى تصل درجة حرارته إلى درجة حرارة الغرفة كما كان، ولذا ينبغي أن يكون بالونك قد أصبح مستويًا من جديد. وفي الوقت نفسه يجب أن يكون السيخ الخشبي قد أشار إلى الخط الأصلي. ويحدث النقيض من هذا عند وضع البرطمان الزجاجي في ماء مثلج؛ فعندما تنخفض درجة حرارة الهواء الموجود داخل البرطمان الزجاجي أكثر فأكثر، فإن هذا الهواء ينضغط ويسحب غشاء البالون إلى داخل البرطمان. وهذا يجعل السيخ الخشبي يشير إلى أعلى. وعندها يكون الخط الذي رسمته للماء المثلج فوق الخط الأصلي. وعند إعادة البارومتر إلى الماء ذي درجة حرارة الغرفة، يعود كلٌّ من البالون والسيخ الخشبي إلى مستواه الأصلي.

إذا كان لك أن تقيس ضغط الهواء الخارجي باستخدام البارومتر الخاص بك، فسوف يحدث العكس، سوف يشير السيخ إلى الأعلى مع ارتفاع الضغط الجوي؛ إذ إن الهواء الخارجي سيضغط على البالون. ومع انخفاض الضغط الجوي، سوف يشير السيخ الخشبي إلى الأسفل. إن وضع علامة بشكل يومي عند الموقع الذي يشير إليه السيخ الخشبي من شأنه أن يقدم لك معلومات عن نوع الطقس الذي يجب أن تتوقعه!