سنتعرف في هذه التجربة على طريقة أخرى لقلب كأس مليئة بالماء دون أن ينسكب الماء منها. نستغل في هذه التجربة الظاهرتين الفيزيائيتين - توتر سطح الماء وضغط الهواء الخارجي. شاهدوا أيضاً الطريقة الأولى التي عرضناها سابقاً - كيف نقلب كأس الماء دون أن ينسكب منها الماء.
المواد والأدوات
- كأس جامدة (مصنوعة من الزجاج أو الخزف أو البلاستيك المقوى)
- ماء
- منديل من الورق أو منشفة ورقية للمسح أومنشفة من قطعة قماش
مجرى التجربة
يمكنكم مشاهدة مجرى التجربة في المقطع التالي:
شرح
ينقسم تفسير هذه التجربة إلى قسمين: يتعلق القسم الأول بالظاهرة المسماة توتر سطح الماء، ويتعلق القسم الثاني بضغط الهواء.
يتكوّن على سطح أي سائل كان ما يسمى ب "توتر السطح" والذي هو عبارة عن غشاء دقيق غير مرئي مُكوّن من جسيمات السائل الأساسية (الذرات أو الجزيئات). يتكوّن هذا الغشاء لأن الجسيمات الموجودة في قسم السائل الخارجي ليست محاطة بجسيمات أخرى من جميع الجهات. ينجم عن ذلك عدم توازن في قوى التجاذب التي "تشعر بها" هذه الجسيمات فيتكوّن غشاء متين على السائل. للتوسع في توتر السطح نوصي بقراءة المقالة: كيف يتكون توتر السطح في السوائل.
ورقة المنديل أو المنشفة ليست مقفلة تماماً وإنما هي مكسوّة بمسامات كثيرة. عندما تبتل المنشفة تمتلئ هذه المسامات بالسائل ويتكوّن عليها غشاء دقيق من الماء والذي ينجم عن توتر السطح الذي سبق وأشرنا إليه - مثل غشاء فقاعة الصابون الدقيق.
يصمد هذا الغشاء الدقيق بوجه ضغوطات ليست صغيرة قد تؤثر عليه ولا يتمزق. على الرغم من ذلك، عندما يكون الضغط على الغشاء كبيراً بما فيه الكفاية فقد يتم اختراق الغشاء ويتاح للماء الجريان في ما بين المسامات، كما نرى فعلاً في مقطع الفيديو في القسم الأول من التجربة، عند صب الماء على سطح الورقة. حتى لو كانت مساحة سطح الماء كبيرة (وليس مسامات صغيرة) فإن ذلك يزيد من احتمال خرق الغشاء؛ لأن أية حركة بسيطة ستؤدي إلى تشويه شكل الغشاء الأملس فيصبح قابلاً للاختراق، ولذلك يتوجب علينا تكوين الكثير من الأغشية الصغيرة على سطح الكأس لنمنع الأشياء اختراق الغشاء.
عندما نُحكم إقفال كأس ماء مليئة بواسطة ورق مبلل ثم نقلبها، تعمل على سطح الورقة (وعلى أغشية الماء الصغيرة التي تقفلها) قوتان متضادتان. أولاً، تؤدي قوة التجاذب إلى أن يؤثر الماء بضغط الى الأسفل. ولكن في اللحظة التي يبدأ الماء فيها بالتحرك إلى الأسفل من داخل الكأس المليئة، حتى ولو كانت حركة غير مرئية لمسافة جزء بسيط من المليمتر، ينخفض الضغط في الكأس لأنه لا تدخل إليها أية مادة أخرى بدلاً من الماء، وبذلك يزداد حجم الهواء المحصور في الكأس. تكون النتيجة أن يصبح الضغط في داخل الكأس أقل من ضغط الهواء الخارجي فتتوقف حركة الماء (ضغط الهواء الخارجي يضغطها من الأسفل) - فلا ينسكب الماء.
هذا ما حدث في التجربة الأولى التي عرضناها - كيف نقلب كأس الماء دون أن ينسكب الماء منها - ولكن هنا يُبدّل توتر سطح الماء الورق المقوى محكم الاقفال وينجح في منع الهواء من الدخول إلى الكأس - ويمنع بذلك تسرب الماء إلى الأسفل.
نلفت انتباهكم إلى أنه إذا استعملنا كأساً مصنوعة من مادة غير مقواة، مثل الكؤوس أحادية الاستعمال والمصنوعة من البلاستيك الرقيق، لن تنجح التجربة لأن ضغط الهواء الخارجي سيسحق الكأس ويدفع بالماء الى الأسفل.
من الجدير ذكره
يمكن إجراء الكثير من التجارب التي يُمثّل فيها توتر سطح السائل، مثل ، لولب الماء، والرسم على الحليب. وكذلك تجارب يُمثّل فيها ضغط الهواء مثل كيف ننفخ بالوناً داخل قنينة أو صيغة أخرى للتجربة نفخ بالون داخل قنينة.
الترجمة للعربيّة: خالد مصالحة