صفّارة بيرنولي الورقيّة

في هذه التجربة، سوف نجعل الورق الذي ننفخ عليه يتناثر، وسوف نقوم ببناء صفارة قوية جدًا من الورق. لا تنسوا أن تحذروا الأشخاص الموجودين بجانبكم قبل النفخ في الصفارة؛ حتى لا يصابوا بالذعر من قوة الصوت :-).

الشرح
 

يوجد في الفيديو عرضان - الأول: ارتفاع الورق نحو الأعلى بعد النفخ بجانبه، والثاني: صفارة قوية تنتج بعد النفخ بين الورقتين.

في العديد من المصادر، ذُكِر "مبدأ بيرنولي" كتفسيرٍ للظاهرة الأولى، ارتفاع قطعة من الورق عندما نقوم بالنفخ عليها. في حين كون هذا التفسير هو التفسير المقبول والشائع للعرض كما يظهر في العديد من الكتب المدرسية، فقد تمّ في السنوات الأخيرة دحض هذا التفسير لاستناده إلى شرحٍ خاطئ لمبدأ بيرنولي.
الواضح أنّ الورقة التي ترتفع نحو الأعلى بعد نفخ الهواء عليها تؤدي إلى انخفاض الضغط عليها، بحيث ينتج عدم التوازن في الضغط الجوي في كلا جهتي الورقة: الضغط المنخفض نسبيًا من فوقها، والضغط المرتفع نسبيًا (الضغط الجوي العادي) من تحتها، ومن ثمّ يشغل الضغط تحت الورقة قوة تدفع الورقة نحو الأعلى، باتجاه تيار الهواء، ويرتفع الورق.

لمَ يؤدِّ تيّار الهواء على الورقة إلى انخفاض الضغط من فوقها؟ بسبب ظواهر مرتبطة باللزوجة واحتكاك الغاز. عندما يخرج تيّار الهواء من الفم، فإنّ الجزيئات (الجسيمات الصغيرة) التي يتكون منها تلامس جزيئات الهواء المجاورة في الهواء الثابت. نتيجة الاصطدامات، من جهة واحدة، تقلّ سرعة تيّار الهواء، بينما من ناحية أخرى - يبدأ الهواء الساكن الموجود بالقرب من تيار الهواء في التحرك إلى الأمام بالتوازي مع التيار. أيّ أنّ الهواء الساكن ينجرف مع تيار الهواء. نتيجة هذا الانجراف، يُصبح الهواء فوق الورق أخفّ، أي ذا ضغط منخفض، ويسمح للضغط الموجود تحت الورق بدفعه للأعلى.

بالإضافة إلى ذلك - (نتيجة الضغط المنخفض الناتج) يلتصق جزء من تيار الهواء بالورقة المنحنية في ظاهرة تسمى تأثير كواندا (Coandă)، والتي تلتصق فيها الغازات المتدفقة بالأجسام الصلبة وتتدفق بالتوازي مع خطوط الوصف الخارجي للأجسام. يستمر تيار الهواء الملتصق بالورقة في الحركة نحو الأسفل - الاتجاه الذي تتوجه إليه الورقة، لذلك بسبب القانون الثالث لنيوتن (الذي يحدد أنّ كل تشغيل لقوة مرفق بتشغيل قوة تساويها بالحجم وعكس اتجاه القوة الأصلية) فإنّ الورقة تُسحب إلى الوراء في الاتجاه المعاكس: نحو الأعلى. هذا أيضًا هو التفسير الأساسي لتحليق الطائرات، عند تقدم الطائرة نحو الأمام، يُسحب الهواء من الأجنحة نحو الأسفل، ويسحب الطائرة نحو الأعلى.

تستند الصافرة في العرض الثاني في الفيديو إلى ما يشبه "الحرب" بين عاملين اثنين: من جهة، النفخ الذي يؤدي إلى انخفاض الضغط والرابط بين الأوراق، ومن جهة أخرى قوة السحب الخاصة بنفخ الهواء الذي "يريد" الانتقال بين الأوراق (والفصل بينهما) مما يؤدي إلى اهتزاز سريع جدًا للأوراق، والتي تقوم بدورها بجعل الهواء الموجود بجانبها يهتز بسرعة، مما يؤدي إلى موجة صوتية، كما هو موضح في التجارب "إخماد النار بواسطة الصوت" و "العزف على كأس النبيذ".

في هذه الحالة، من الممكن تفسير التصاق الصفحات بطريقة مشابهة لارتفاع الورقة في الجزء الأول من التجربة، لكن هنا يمكن تطبيق مبدأ بيرنولي. ينص المبدأ على أنّ ضغط وسرعة الغاز هما تعبيران للطاقة، لذلك إذا كان هناك نظام عازل من ناحية الطاقة، إذا ارتفع أحد العوامل، فإنّ الآخر ينخفض والعكس صحيح؛ بسبب قانون حفظ الطاقة. عندما تبدأ الصفحات بالاقتراب من بعضها البعض بسبب تأثيرات اللزوجة والاحتكاك للهواء، هناك تضيق في تدفق الهواء، والذي يترافق بالضرورة بزيادة سرعته؛ لأنّ نفس كمية الهواء يجب أن تمر عبر سطح أصغر. يؤدي الارتفاع في هذه السرعة إلى انخفاض في الضغط حتى التصاق الورق، حينها يتوقف تيار الهواء للحظات، يرتفع الضغط مجددًا، تنفصل الأوراق وتتكرر العملية من جديد.

أود أن أشكر أورن إكشتين للمساعدة في التدقيق العلمي للمقال
الترجمة للعربيّة: بنان مواسي