كيس الشاي الذي يشتعل ويبدأ بالطيران

المعدات

• كيس شاي (شاهدوا فيديو الشرح فيما يتعلق بنوع كيس الشاي المطلوب لإجراء التجربة).
• صحن أو صينية مقاومة للنار
• قدّاحة أو أعواد ثقاب
• مقصّ  

مسار التجربة

يمكنكم مشاهدة سير التجربة في الفيديو التالي:

الشرح

عندما نقوم بإشعال كيسٍ من الشاي، كما هو الحال عند إشعال الخشب أو الورق العادي، أو حتى إشعال شمعة، نرى اشتعال المادة بالنار، وبعد مرور فترة معينة "تختفي" هذه المادة بشكلٍ كامل تقريبًا. لكن هذا الاختفاء عبارة عن وهم، لا تختفي المادة حقًا، بل "تُغير شكلها"  فقط. يُنتِج الأكسجين الموجود في الهواء أثناء عملية الاحتراق تفاعلًا كيميائيًا مع الورق ونتائج التفاعل - والتي تكون بالأساس عبارة عن غازات: بخار الماء وثاني أكسيد الكربون، بالإضافة إلى الكثير من الطاقة التي يتمّ التعبير عنها على شكل الضوء الذي تبعثه النار، وبالحرارة أو درجة الحرارة العالية للنار والغازات المنبعثة منها.

بسبب قوانين الغازات تكون الغازات الساخنة المنبعثة في عملية الاحتراق أقلّ كثافة من الهواء البارد الطبيعي المحيط بها، ما يعني أنها تزن أقل مقارنةً بكل وحدة حجم. لهذا السبب تعمل عليها قوى الطفو التي تدفعها إلى الأعلى، تماماً كعوامة الكلكر (البوليستيرين) التي تطفو في الماء. ترتفع نحو الأعلى، وفي الواقع، إذا أمعنا النظر جيدًا في النيران المشتعلة، تبدو لنا النيران دائمًا متجهة متدفقة نحو الأعلى. يسمى تيار الهواء الساخن نحو الأعلى بتأثير قانون الطفو بالحمل الحراري (Convection).

يتكون فوق كيس الشاي المشتعل نوع من التيارات الحرارية. كلما تقدمت عملية الاحتراق فإنّ كمية المادة الصلبة والثقيلة في كيس الشاي تنخفض، حتى تصل في المرحلة الأخيرة إلى أن تكون خفيفة بما يكفي حتى تتشبث بالتيارات الحرارية وترتفع معها نحو الأعلى بما يشبه مصعد الغازات، كما يحدث في نهاية التجربة.  

من الجدير بالذكر

تلعب التيارات الحرارية دورًا مهمًا جدًا في تكوين الطقس عندنا: عندما يلتقي الهواء الساخن بالهواء البارد، على سبيل المثال عندما تصطدم ريح مع هواء ساخن من البحر بهواء بارد في الجبال الموجودة بجانب الشاطئ، تعمل قوى الرفع على الهواء الساخن وتدفعه نحو الأعلى (تيارات الحمل الحراري). عندما يرتفع الهواء الساخن، فإنه يبرد، وإذا كان يحتوي على رطوبة عالية، فإنّ المياه الموجودة فيه تتكاثف، تتشكل الغيوم وفي ظلّ ظروف مناسبة يهطل المطر.

في هذا السياق، يُوصى أيضًا تطبيق تجربة لولب النار - اللولب الذي يعمل بواسطة تيارات الهواء الساخن المرتفعة نحو الأعلى.