صباح الخير،
أنا مستشار تربوي في بوبيجني في سان دنيس، وأقوم بإعداد لقاء حول موضوع "اكتشف بنفسك" في إطار تدريبي، يربط بين المرحلة الثانية والسادسة. ونقوم مع الزملاء بإعداد أعمال يدوية حول الموقع، ونحتاج إلى مساعدتكم. نحن نستخدم زجاجة وقمعا محكم الإغلاق لا يسمح بمرور الهواء باستخدام عجينة قابلة للتشكيل، وهذه التجربة نجدها في كتب الأعمال اليدوية للأطفال، ولكنها لا يمكن تنفيذها عادة. لقد قمنا بإعداد عشرات من الأدوات باستخدام الزجاجات البلاستيكية، والأواني الزجاجية، والأقماع بأشكالها المختلفة. وكل ما يعمل هو إناء أطفال صغير مزود بقمع مناسب لحجمه. ولا تعمل الزجاجات بسعة 1.5 لتر ماء والمزودة بأقماع بأحجام مختلفة. ونستبدل إناء زجاجيا صغيرا بإناء الطفل يتحمل نفس الغطاء، ولكنه أكبر قليلاً، وهذا أيضاً لا يعمل. وما نأمله هو وضع البالغين في تحد أمام معارفهم، وطرح تلك الإشكالية لحلها بتغيير العناصر: الشكل، الحجم، الخامات...
ولكننا نحتاج إلى حكم من طرفكم:
- لا تعمل الأداة لأن
- الأداة البلاستيكية للزجاجة لينة وتتمدد
- تم فحص الأقماع لتسمح بانطلاق الهواء وبالتالي تسمح بالتدفق (على شكل مخروطي مقطوع من الحرف)
- حجم الهواء ليس "قوياً بالدرجة الكافية لاحتواء كتلة الماء
- لا يمكن للاتزان أن يتم إلا إذا كان حجم الهواء والماء متساويين
- معرفة المبادئ الفيزيائية توضح أن تلك التجربة خاطئة
- عند تقليل عنق الأقماع باستخدام سدادة من العجين القابل للتشكيل يخترقه قطعة من القش (لتقليل مرور الماء)، تعمل الأداة جيداً. كيف يمكن تفسير ذلك؟
- تقليل حجم الماء الذي يمكنه المرور يسمح بتطبيق مبدأ فيزيائي آخر
- هل يكفي عنق الزجاجة الرأسي لعمل الأداة؟
- هل تكفي مقاومة سطح الماء لاستيعاب حجم من الماء يصل إلى 1/3 لتر للسماح بمروره داخل القش
- هل نضيف شرح فكرة الهواء المضغوط إلى مقاومة سطح الماء؟
نأمل تمكنكم من الإجابة على تساؤلاتنا (حيث أنكم تعرفونها قطعاً)، وتمكنكم من تقديم الشرح الفيزيائي النظري لها (الذي يتوافق مع معلمي ومدرسي مدرسة SVT). وفي النهاية فالمعرفة أو عدم المعرفة تمثل مشكلة في مجال تجارب "اكتشف بنفسك".
شكراً لكم.

يسعدني الإجابة على أسئلتكم. ولكن لسوء الحظ، أنتم تشيرون إلى تجربة لا تؤتي ثمارها دون البدء في أي كلمة عنها. فبصرف النظر عن وجود زجاجات وأقماع، لم أتخيل المطلوب حدوثه من خلال التجربة. لقد فهمت جيداً أن الأداة تعمل باستخدام إناء الأطفال ولكن هذه هي المعلومة الإيجابية الوحيدة التي توصلت إليها. فهل من الممكن تقديم مزيد من المراجع التجريبية التي تشيرون إليها؟

أعتذر عن عدم وضوح الرد! المطلوب هو سكب الماء داخل قمع وضع مثبت على زجاجة أو أي عبوة أخرى عبر السدادة المثقبة بحيث ولكي يتم منع دخول الهواء تحاط السدادة بعجينة قابلة للتشكيل. في كتب الأطفال العامة، من المفترض أن يشرح ذلك وجود الهواء حيث لا ينساب الماء من القمع داخل الزجاجة بسبب الهواء المضغوط بالداخل. ولكن على الرغم من الكثير من المحاولات لا تعمل تلك الأداة إلا فيما ندر. وقد ننجح في عملها بواسطة إناء صغير للأطفال حيث يحمل الإناء فقط السدادة وباستخدام شيء أكبر لا يمكن عمل الأداة. وعند تقليل قطر العنق باستخدام قش محاط بعجينة قابلة للتشكيل يعمل النظام أيضاً. وفي كل الأحوال عند قلب الزجاجة لا ينساب الماء الموجود بالداخل. وبمقارنة ذلك ببعض مواقف الحياة العامة (ملء إناء من النبيذ باستخدام قمع أو بسحب النبيذ دون إدخال أي هواء، يبدو لي نظرياً أن الماء لا يجب أن ينسكب في الزجاجة أو غالباً ما يسيل). شكراً مقدماً على تفسيراتكم.

شكراً لسرعة توضيحكم لتلك التجربة التي تبدو لي بعيدة عن الأسلوب التربوي خاصة بسبب احتمالات الفشل التي تنطوي عليها. وإذا ما قمنا بتحليل فيزيائي للقوى الموجودة التي تحول دون انسكاب الماء، نجد لدينا من ناحية قوة تتجه نحو الأسفل ناتجة عن ضغط عامود الماء + الضغط الجوي، ومن ناحية أخرى قوة متجهة نحو الأعلى ناتجة عن ضغط الهواء الداخلي + القوة الشعرية المرتبطة بالتوتر السطحي للماء. وحيث أنه لم تسقط قطرة ماء واحدة داخل الزجاجة، تتوازن قوى الضغط الهوائي والخاصية الشعرية هي فقط التي تحول دون انسياب الماء. ويوضح مثال القطارة أن تلك القوة لا تسمح مطلقاً بحجز عامود من الماء يزيد عن بضعة مليمترات. لذا لابد من انسياب بعض من قطرات الماء حتى يضغط الهواء داخل الزجاجة وليزيد ضغطه. ولسوء الحظ، بمجرد بدء الماء في الانسياب، لا يظل الوضع "ساكناًً" خاصة وأن الانسياب قد يصبح غزيراً بشدة عند ظهور دوامة داخل محور القمع. فبمجرد تكون تلك الدوامة تظهر قناة فارغة وسط الانسياب يتسلل من خلالها الهواء وتمتلئ الزجاجة. ولمنع تكون تلك الدوامة يلزم فتحة صغيرة جداً وهو ما تفعلونه بالفعل بتقليل قطر القمع بواسطة القش. وقد نتحكم في ذلك أيضاًَ عن طريق درجة لزوجة السائل سواء باستبدال الماء بالزيت أو بإضافة بعض الجليسرين إلى الماء. وإذا كان الإناء السفلي صغير جداً، تصبح سرعة الضغط عند وصول الماء كبيرة جداً وقد تصل على قيمة التوازن قبل تكون الدوامة. وهذا ما يحدث بالفعل في إناء الأطفال المستخدم. لذا نصيحة لضمان نجاح التجربة: إناء صغير جداً، قمع ذو فتحة صغيرة جداً واقل كمية من الماء المسكوب داخل القمع.
والنصيحة لفشل التجربة بالتأكيد: أنتم تعرفونها، زجاجة كبيرة، وقمع ذو فتحة كبيرة. أما عن الجانب اللطيف في التجربة فهو محاولة تغيير العناصر للانتقال من الفشل إلى النجاح. أتمنى ألا أكون قد أثقلت عليكم!

سوف أحاول الإجابة عليكم بعد أن أكون قد أجريت بعض التجارب. يبدو لي بعد كل ما قمتم به أن هناك العديد من العناصر:
1) قطر عنق القمع الذي يجب تقيله لنجاح التجربة.
2) حجم الهواء في الإناء السفلي (إناء صغير، زجاجة، الخ) إذا قللنا هذا الحجم تنجح التجربة (مثال: استخدام الإناء الصغير)
وأجيب في البداية عن بعض التساؤلات:
 الجهاز لا يعمل بسبب:
 - لين البلاستيك المصنوعة منه الزجاجة وتمدده،
حاولوا النفخ داخل أحد الزجاجات البلاستيك لتنتفخ فإذا تمكنتم من ذلك فإن هذا يعني أنه من السهل زيادة حجمها..
إذا أردتم تمدد الزجاجة، يجب أن يصبح البلاستيك ليناً، لذا لابد من تسخينه..
 الجهاز لا يعمل بسبب:
 - تدرس الأقماع لتسمح بتسلل الهواء أي لتسمح بالانسياب
في الحقيقة، بعض الأقماع لها "منقار" صغير على واجهتها الخارجية في المكان التي تثبت فيه على عنق الزجاجة لتسمح للهواء بالخروج عبر القمع أثناء مرور الماء بالداخل. ولكننا نضع عجينة قابلة للتشكيل لمنع ذلك، لذا فهي "لا تدرس لذلك"!!
 - لا يتحقق الاتزان إلا عندما يكون حجم الماء مساوياً لحجم الهواء. كلا. فالاتزان يتم عندما يكون ضغط الماء بالأعلى مساوياً لضغط الهواء بالأسفل. وأستغل ذلك للإشارة سريعاً إلى نقطة محددة عن الضغط: ضغط الهواء داخل الزجاجة ثابت في كل الأماكن: أي أن الهواء يضغط نحو أسفل الزجاجة مثل ضغطه على الماء الذي يحاول الدخول عبر عنق القمع.
بينما ضغط الماء ليس ثابتاً، فالوضع يشبه الغوص في الماء، كلما نزلنا أسفل الماء كلما زاد الضغط، لذا يزيد الضغط في الأسفل عنه عند السطح (وتنطبق نفس تلك الظاهرة قطعاً على الهواء ولكن نظراً لخفة الهواء كثيراً عن الماء -1 م3 من الهواء= 1.3 كجم بينما 1م3 من الماء= 1000كجم، لا نشعر بوزن الهواء إلا عند الارتفاعات الكبيرة (100 متر على الأقل)).
وبالتالي إذا كان هناك اتزان، فمعنى ذلك أن ضغط الهواء في الزجاجة يساوي ضغط الماء في الأسفل.
 - حجم الهواء ليس "قوياً" بالقدر الكافي لاحتواء كتلة الماء. ليس الحجم هو القوي بل ضغط الغاز هو الذي قد يكون قوياً. وقد يكون السؤال هو: ضغط الهواء ليس كافياً بالقدر الكافي لاحتواء كتلة الماء. في كل الأحوال ليس زيادة الحجم هو الذي يسمح بزيادة ضغط الهواء.
ولنحاول الآن عرض شرح للظاهرة:
عند وضع الماء داخل زجاجة باستخدام قمع، فأنتم حينئذ تحاول "دفع" الهواء الموجود داخل الزجاجة بالماء أعلاه.
وذلك يشبه محاولتكم استخدام سرنجة "فارغة" (أي مملوءة بالهواء) وسد فتحتها وكبس الهواء بالضغط على مكبس السرنجة.
هل كل شيء واضح حتى الآن؟
وأستكمل...
فلنعود إلى السرنجة، ما الذي يحدث عند الدفع؟
في البداية يبدو الأمر سهلاً: المعلومة الأولى: الهواء يضغط بسهولة إذا حاولنا تقليص حجمه قليلاً. ثم يصبح الأمر أكثر صعوبة. فنحن نحاول عامة تقليل حجم الهواء إلى أكثر من النصف بالضغط بشدة. ماذا نستنتج؟ إذا حاولت ضغط الهواء، فهذا أمر سهل في بدايته ثم يصبح صعباً عند النهاية (سوف يفيدنا ذلك لاحقاً...). ولنعد إلى الزجاجة والقمع. تتمثل المشكلة في دفع الهواء بالماء مع مراعاة عدم صعود الهواء مرة أخرى!
المشكلة الأولى: يجب التمكن من وضع الماء في وضع أفقي جيد (مثل مكبس السرنجة) لدفع الهواء ولكن هذا غير ممكن! ومع ذلك لنتخيل أننا تمكنا من ذلك، فالماء ليس صلباً مثل مكبس السرنجة البلاستيك! فالماء "مائع" ويمكن لأي شيء المرور عبره (ومن هنا مقولة: ضربة رمح داخل الماء..) وهنا الهواء هو الذي يجب أن يمر عبر الماء فكيف ذلك؟ بعمل فقاعة ... أو العديد من الفقاعات ... ما هي الفقاعة إذا؟
الفقاعة هي هواء محاط بالماء ولكنه هواء لديه ضغط أكبر من ضغط الماء المحيط به... وكل ذلك بسبب التوتر السطحي اللعين! والغلاف الداخلي للفقاعة هو عبارة عن مزيج من الماء والهواء كما هو الحال عند سطح الماء، فهناك إذاً توتر سطحي يحيط بالفقاعة. فالفقاعة داخل الماء تشبه الكرة المطاطية في الهواء حيث يكون الضغط داخل الكرة أعلى من الضغط الخارجي، فكاوتش الكرة هو الذي يضغط الهواء الموجود بالداخل.
التوتر السطحي للماء – الذي يشبه الغشاء المطاطي – يقوم أيضاً بضغط الهواء داخل الفقاعة. ولا يكون الضغط داخل كل الفقاعات متطابقاً، وعلى عكس ما قد نتصور، فالضغط في الفقاعات الصغيرة هو الأقوى. لذا يلزم مزيد من الضغط لتكوين فقاعات صغيرة أكثر من الفقاعات الكبيرة. ولنحاول الاقتناع بذلك عن طريق الملاحظة:
1) عند التقاء فقاعة صغيرة بفقاعة كبيرة (وقد رأيتم جميعاً ذلك، حتى أعلى الإناء الخاص بكم...)، "تلتحم" الفقاعتين وتكونان فقاعة واحدة، فالفقاعة الصغيرة هي التي تفرغ محتوياتها داخل الكبيرة.
لماذا؟ لأن الضغط داخل الفقاعة الصغيرة أقوى. وإذا كان العكس حقيقياً "لأفرغت" الفقاعة الكبيرة محتوياتها في الصغيرة حتى يتحقق الاتزان، وحينئذ تتكون فقاعتين بحجم متوسط... فعندما تلاحظون ذلك التقطوا لها صورة بسرعة، فستحصلون على جائزة نوبل القادمة!
2) ولنجري تجربة بسيطة لإقناعكم: نأخذ أنبوبتين رقيقتين جداً (من نوعية "سكوبيدو") بطول 15سمن تقريباً، ونحاول أن نزيد من فتحة الأنبوبة الثانية وذلك بأن نثبت (باستخدام عجينة التشكيل) جزء صغير من القش (بطول 1سم) وبقطر أكبر. ثم نضع الأنبوبتين في الفم من جهة ومن الجهة الأخرى داخل كوب من الماء، سوف تقوم أحد الأنبوبتين بعمل فقاعات صغيرة والأخرى بعمل فقاعات كبيرة.
وإذا نفخنا ببطء شديد وبزيادة الضغط تدريجياً، نلاحظ تكون الفقاعات الكبيرة قبل الصغيرة. إذاً نحتاج مزيد من الضغط لتكوين فقاعات كبيرة أكثر من الصغيرة. حسن، والآن، بعد كل هذا الموضوع عن الفقاعات، إلام يقودنا ذلك؟ لقد رأينا كيف أن تجربتنا (عن القمع والزجاجة) تعمل بصورة أفضل كلما قللنا قطر عنق القمع. إذا كان قطر عنق القمع كبيراً، قد تتكون فقاعات كبيرة، لذا يكفي قليل من ضغط الهواء لمرور الماء... وإذا كان قطر عنق القمع اصغر، فسوف يكون أكبر حجم للفقاعات مساوياً لهذا القطر، وعند رغبة الهواء في المرور عبر الماء لا يلزم سوى تكوين بعض الفقاعات الصغيرة لديها ضغط عالي وهو أمر صعب لذا سيبقى الماء دون انسياب بالأعلى. ملحوظة: حتى يمكن مرور الهواء، لابد من زيادة ضغطه لذا لابد من زيادة ضغط الماء أعلاه.
والآن لنحاول فهم العنصر الثاني: إذا قل حجم الهواء (إناء الطفل الصغير) تنجح التجربة. فلا يوجد كثير من الهواء داخل إناء الطفل الصغير، لذا نكاد نضغطه بحيث يصبح "صلباً" ويقوم بحجز الماء حتى قبل محاولته الخروج من عنق القمع.
وفي الزجاجة الكبيرة، ليس الأمر مماثلاً فنزول الماء من عنق القمع تضغط الهواء بصورة ضعيفة جداً مقارنة بحجم الزجاجة، لذا يكون فرق الضغط الداخلي ضعيف ولا يسمح بحجز الماء: فتبدأ المياه في الانسياب، ومن هنا يبدأ فشل التجربة...
من المنطقي أن يتوقف ذلك بمرور بعض الوقت... ولكن الماء الذي ينساب "لا يمكن استعادته" حيث أنه لا يقف مستقيماً كما لو كان محاطاً بأنبوبة، بل يتعرض بمساحة كبيرة للهواء (مخروط ذو رأس للأسفل) لذا من السهل جداً أن تترك الهواء يمر من خلالها. وعلاوة على ذلك، بمجرد أن يبدأ الهواء في المرور، فإن ذلك يسبب تيار شديد في الماء لذا يكون سطح الماء في حركة دائمة (انخفاضات وارتفاعات) وسوف يتسلل الهواء من خلال أحد الثقوب... وأعود للإناء الصغير: يظل الماء في عنق القمع، لذا يتعرض بمساحة أصغر للهواء ويسمح بالانسداد!