٢٧/٠١/٢٠٠٠

Sylvie Ducoron

كيف يمكن تفسير للتلاميذ عدم استواء سطح الماء بشكل مطلق، وإقناعهم بأنه أحيانـًا يكون مُحدبًا، كحالته التي يكون عليها قبل أن يفيض وينسكب من الكوب على سبيل المثال؟

---

٣١/٠١/٢٠٠٠

 (لمزيد من المعلومات)

إن السؤال غامض نوعًا ما. وهناك أمران يجب أخذهما في الاعتبار. إذا تعلق الأمر فقط بشرح عدم استواء سطح الماء في جميع الحالات، يكفي إعطاؤهم بعض الأمثلة الملموسة كتساقط قطرات الشتاء على زجاج النافذة، وقطرات الندى على خيوط العنكبوت أو على أوراق النباتات في الصباح الباكر، وتكثيف بخار الماء على السطح الخارجي لغلاية المياه. أما التفسير العلمي، فسيكون أكثر تعقيدًا. وبدون الدخول في تفاصيل معادلة لابلاس، أرى أنه من الضروري الاستناد إلى فكرتها: ففي كل الأحوال تتشكل قطرات السوائل وكأنها كرات من المطاط الرقيق (الكاوتشوك) المملوءة بالماء. كما لو كانت هذه القطرات مُحاطة بغشاء مطاطي يحاول منعها من الهروب. ويعادل هذا الغشاء التوتر السطحي، الذي يكون نوعًا ما ضعيفـًا في حالة الزيت الذي يسيل بسهولة ويُبلل حوله. وعلى العكس من ذلك، يكون التوتر السطحي قويًّاا في حالة الماء (بدون صابون يعمل على إضعافه). إذاً، يرشح الماء بصورة أقل من الزيت. أما بالنسبة للزئبق، فيكون توتره السطحي عاليًا جدًّا (ويجب توخي الحذر في التعامل مع هذا السائل شديد السُّمِّية)، مما يفسر هروبه في شكل كرات صغيرة، في حالة انكسار ترمومتر قديم. فهذا الغشاء الذي تحدثنا عنه قبلاً يكون قويًّا لدرجة تمنعه من تغيير الشكل الصلب الذي يأخذه عندما يتدحرج على الأرض.

---

٣١/٠١/٢٠٠٠

 (لمزيد من المعلومات)

تعقيبًا على الإجابة الوافية لمارتان شاناهان، يمكنني اقتراح عمل تجربة تقليدية يتم إجراؤها في الفصل، لإثبات أنه على سطح الماء يجري كل شيء كما لو كان هناك غشاء أو طبقة من الجلد الرقيق. وعليه، من الممكن أن تبقى إبرة على سطح الماء، بدلاً من أن تغوص في القاع نظرًا لخفة وزنها، إذا اتخذنا الإجراءات اللازمة لتثبيتها. ففي بادئ الأمر، نقوم بوضع ورقة سجائر على سطح الماء. ثم نضع بعناية الإبرة على الورقة، ونقوم بتغطيس هذه الأخيرة عندما تبتل تمامًا بالماء. وباستخدام قلم نقوم بغمسها إلى أسفل، بدون لمس الإبرة. وبذلك تبقى الإبرة على سطح الماء. وإذا دققنا النظر إليها، نلاحظ أنها تدفع سطح الماء قليلاً لأسفل، كما لو كانت مسطرة موضوعة على لحاف السرير. - احتمالات أخرى: ١ـ إذا كانت الإبرة المُستخدمة مُمغنطة، فيكون ما قمنا بصنعه أشبه بالبوصلة. ٢ـ إذا أضفنا للماء القليل من مسحوق التنظيف السائل (المُستخدم في غسيل الأطباق)، لا يمكن للغشاء في هذه الحالة الإمساك بالإبرة (حيث يعمل المسحوق على خفض التوتر السطحي للماء)، وبالتالي يتركها لتغوص في القاع.

---

٣١/٠١/٢٠٠٠

 (لمزيد من المعلومات)

أريد إضافة بعض الجزئيات على الشرح الوافي الذي قدمه المتخصصون في الإجابتين السابقتين، موجهـًا انتباهكم إلى أن تقوس سطح الماء لا يمكن ملاحظته إلا في الإحجام الصغيرة. في الواقـع، عندما يكون الحجم المـراد إجـراء التجربـة عليه كبيرًا جـدًّا، تصبـح طاقـة السطـح (المرتبطة بالتوتر السطحي)، المذكورة في الإجابات السابقة أكثر ضعفـًا من طاقة الوضع (المرتبطة بالوزن) للسائل ككل. وبناء على ذلك، يتمدد السائل على سطح الأرض، بحيث تكون الجزيئات التي تكوِّنه أقرب ما يمكن من مستوى الأرض. وعليه، لا تتحول البحيرات أو حتى البرك إلى كرات صغيرة، على عكس قطرات الندى الكروية الشكل، التي نجدها على خيوط العنكبوت. في فليم "مشينا على سطح القمر"، كان من الممكن أن يتحول محتوى كأس الويسكي في أيدي كابتن هادوك إلى كرات صغيرة، لأن الجاذبية تنعدم على متن مركبة الفضاء. ولذلك ينعدم وزن شراب الويسكي (وبالتالي طاقة الوضع الخاصة به) مقارنـةً بتأثير الغشاء المطاطي، الذي يعادل التوتر السطحي المذكور في الإجابتين السابقتين. ومن جهة أخرى، يرجع تكوُّر المحيط إلى قوة الجاذبية وليس لتوتره السطحي، حيث يجبره وزنه إلى التأقلم بكل بساطة مع الشكل الكروي للأرض. وكذلك يجب ملاحظة أن طبيعة السطح الذي ترتكز عليه قطرات السائل لها تأثير على كبر حجمها بدون أن تبلله. مما يعني أن هناك ثابتة أخرى يجب أخذها في الاعتبار بخلاف توتر السطح والوزن.

---

٠٣/٠٣/٢٠٠٣

 (لمزيد من المعلومات)

لست متخصصًا في الإرساء، ولكنني أعتقد أن الاستنتاج الذي توصل إليه إيلي فريديريك استنادًا إلى تباين الطول الشعري خاطئ. وسأقوم ببرهنة ذلك مستعينـًا ببعض الأمثلة البسيطة، مع مراعاة الدقة على قدر الإمكان. ففي حالة الماء داخل مجال الجاذبية الأرضية المُسيطر على سطح الأرض، يكون ذلك الطول الشعري مساويًا ٢.٥مم، مما يمثل حجم قطرة الماء قبل أن تبدأ في التمدد وتقترب من شكل البقعة الصغيرة، ويعادل أيضًا سمكها. إذاً، إذا زاد الطول الشعري، لا يعني ذلك أن الماء سيلتصق بجدار الكوب. ولكن يمكن أن تكون قطرات الماء أكثر سمكـًا، وبالتالي تكون البقع هي الأخرى أكثر سمكـًا (ولم يحدث أي انخفاض قبل ذلك في هذا الطول الشعري). وعندما يرتفع الطول الشعري إلى ما لانهاية، يعني ذلك أن جميع قطرات الماء يمكن أن يكون لها نفس الشكل، بصرف النظر عن حجمها: أي أنه يمكن أن نجد قطرات سمكها ٥٠ سم لها نفس شكل قطرات الندى الصغيرة. ومن المؤكد أن تحركها سيختلف عندما نقوم بنفضها، لأن المقاومة السلبية للأشياء تختلف باختلاف حجمها. أما بالنسبة للتوازن القراري، فلن يحدث فيه أي اختلاف. وبناء على ذلك، يمكن استنتاج سعي الماء إلى تكوين كرات صغيرة، والالتصاق على الأسطح الزجاجية، نظرًا لجاذبية هذه الأخيرة له. كما يمكننا استنتاج عدم ميل الماء إلى التمدد الذي يزيد من مساحته وبالتالي من طاقته. ومن كل ما سبق، يمكنني تلخيص ذلك في سؤالين وإجابتين فقط. السؤال الأول: ما الذي يحدد حجم قطرة الماء الصغيرة عند ملامستها لسطح صلب (كالزجاج مثلاً)؟ جواب: الاحتكاك بين الأسطح المتلامسة، الذي يتحكم في زاوية تماس السطح الفاصل ماء / هواء مع السطح الصلب للزجاج، والجاذبية الأرضية التي تحدد سمك قطرة الماء وتتسبب عند اللزوم في افتراشها. السؤال الثاني: ماذا يحدث لو لم يكن هناك جاذبية؟ جواب: لن يبقى إذاً سوى الاحتكاك بين الأسطح المتلامسة. وعليه، يمكن أن تزداد القطرة حجمًا بلا حدود. كما أنها لن تتمدد إلا إذا تدخلت قوى أخرى كقوة الجاذبية الأرضية. واستفادة من ذلك، أريد الرجوع مرة أخرى إلى إجابة ر- إ إيست. حيث إن ما قاله بخصوص عدم وجود جاذبية على متن سفن الفضاء، غير صحيح. ففي الواقع، هناك جاذبية أينما كنا في محيط مجال الجذب للكرة الأرضية. بمعنى أن الجاذبية موجودة دائمًا طالما يمتد هذا المجال إلى ما لانهاية. وبديهيًّا، تتناقص شدة قوة الجاذبية كلما ابتعدنا عن الأرض. وهناك أيضـًا أسباب أخرى من الممكن أن تفسر ظاهرة طفو الأشياء في المحطات الفضائية التي لا تزال موجودة في محيط الكرة الأرضية، بالرغم من بعدها عنها. وإذا أخذنا مثال رواد الفضاء الذين نرسلهم للدوران حول الأرض على ارتفاع ٣٧٥كم، لصالح إحدى المحطة الفضائية الدولية، وبالرغم من أن هذا الارتفاع لا يعد عاليًا للغاية، مقارنـةً بقياس نصف قطر الكرة الأرضية الذي يساوي ٦٣٨٠كم تقريبًا، أي أكبر منه بـ ١٧مرة تقريبًا، فما نسميه عادة بانعدام الجاذبية، ما هو إلا نتيجة بديهية للسقوط الحر للمحطة الفضائية. وإذا عَرَّفنا السقوط الحر على أنه حركة جسم تحت تأثير مجال جاذبية (وليس تحت تأثير احتكاكها مع الهواء على سبيل المثال)، ففي هذه الحالة تكون المحطة الفضائية في وضع سقوط حر. وعليه، لا يكون هناك فرق بين طبيعة حركة محطة الفضاء المُسيرة وحركة كرة اللعب الصغيرة التي تسقط من يدي على قدمي (على اعتبار انعدام مقاومة الهواء في تلك الحالة الأخيرة). وإذا قمنا بصنع محطة مُصغرة ووضعنا بداخلها رواد فضاء وأجهزة مُنمنمة، وقمنا بوضع كل هذا في كرة لعب صغيرة، يمكننا ملاحظة آنذاك انعدام وزنها، وكذلك الوقت الذي يستغرقه سقوطها. وبمعنى أدق، يمكننا إعادة التحكم في انعدام الوزن (مصطلح في غير موضعه، ولكنه دارج الاستخدام) لفترات أطول، في حالة المروحيات العسكرية القادرة على الطيران لفترة مؤقتة في مسارات شبيهة بالقطع المكافئ، كما هو الحال للكرة الصغيرة عندما ألقي بها.