كيف نجعل مُكعبات الثلج تعوم في منتصفِ الكأس؟ ما هي السوائل الغامضة الموجودة فيها وممّ يصنعون زيت الأطفال؟ شاهدوا مقطع الفيديو الذي يشرحُ كل هذا
المعدّات والمواد:
- مكعب ثلج
- كأس
- زيت قابل للأكل (يُفضّل استعمال زيت الصويا، في حال عدم توفره يمكن استخدام زيت الذرة أو زيت الكانولا
- زيت أطفال
سير التجربة:
يمكنكم مشاهدة سير التجربة في الفيديو المصور التالي:
ملاحظة: يُوصى بإدخال مكعب الثلج إلى داخل الكأس فور إخراجه من الثلاجة، قبل أن تبدأ قطرات الماء بالتكوّن عليها.
سوف نقوم في هذه التجربة بإنشاء شيءٍ شبيه بِـ "كومة" من المواد المُتراكمة فوق بعضها البعض في داخل الكأس. في الواقع تطفو المواد فوق بعضها البعض، لذا فإنّ تجربتنا تعنى بموضوع طفو الأجسام والمواد. اكتشف العالم اليونانيّ أرخميدس منذ حوالي 2250 سنة القوانين التي تُحدد متى تطفو المادة على مادة أخرى ومتى تُغمَر بها.
لمعرفة ما إذا كانت المادة تطفو على مادة أخرى أو تُغمَر بها فإنّ كل ما نحتاج إلى معرفته هو حجم واحد فقط يسمى الكثافة أو الثقل النوعي. الكثافة، كما يُوحي اسمها، تقيس مدى كثافة المواد، أيّ أنها تقيس مدى كتلة المادة مقارنةً بحجمها، بالتالي فإنها تُقاس بوحدات الكتلة للحجم، كقياس الغرام لكل سنتيمتر مكعب. المادة ذات الكثافة المنخفضة (نقول باللغة الدارجة اليومية: "مادة خفيفة") تطفو على المادة الأكثر كثافة، والعكس صحيح: المادة ذات الكثافة العالية تغرق داخل المادة الأقل كثافة.
في التجربة الحالية، توجد ثلاث مواد مختلفة: زيت الطهي، زيت الأطفال والماء، حيث يتوفّر الماء في حالتين: الصلبة (مكعب الثلج) والسائلة (القطرات السائلة من مكعب الثلج الذائب).
تترتّب المواد تبعًا لترتيب الكثافة الخاص بها تمامًا، وفقا لقانون الطفو لأرخميدس:
في الجزء العلوي من الكأس، طفا زيت الأطفال على جميع المواد الموجودة داخل الكأس، وهو في الواقع زيت معدني / أو زيت البرافين. زيت خفيف نسبيًا، وهو أحد نواتج تكرير النفط، كثافته حوالي 0.8 غرام لكل سنتيمتر مكعب.
يليه بعد ذلك مكعب الثلج، والذي كثافته هي 0.9167 غرام لكل سنتيمتر مكعب.
تحت مكعب الثلج يوجد زيت الطهي والذي يتمتع بكثافة أعلى بقليل، 0.92-0.93 غرام لكل سنتيمتر مكعب، لزيت فول الصويا / زيت الكانولا.
في قاعدة الكأس - تُذرف قطرات الماء تمامًا كالدموع، والتي تمتلك أعلى كثافة من بين جميع المواد، حوالي 1 غرام لكل سنتيمتر مكعب (حوالي 1 وليس 1 تمامًا، وذلك لأن كثافة الماء تتعلق بدرجة الحرارة. تكون كثافة المياه 1 غرام لكل سنتيمتر مكعب بالضبط فقط حين تكون في 4 درجات مئوية).
لاحظوا أنّ كثافة مكعب الثلج وكثافة زيت الطهي مُتقاربتان، لذلك أوصي باستخدام زيت الصويا من أجل نجاح التجربة، والذي يمتلك الكثافة الأعلى من بين جميع زيوت الطهي، ويجب أيضًا وضع مكعب الثلج في كأس الزيوت مباشرةً بعد إخراجه من الثلاجة، وقبل أن تنشأ المياه على وجه المكعب - وإلا فإنه سوف يغرق. قد يغرق مكعب الثلج مع مرور الوقت داخل الزيت، بعدما يتغلف بالماء (الذي ذُرف منه) الذي يعتبر ثقيلًا نسبيًا، ويقوم بجرّه معه إلى قاع الكأس (ترتفع كثافته المعدلة ولذلك يغرق).
من الجدير بالذكر
يعرض الثلج ظاهرة فريدة من نوعها تسمى خصائص الماء، وهي سلوك "غير اعتيادي" للماء. وما هو السلوك غير الطبيعي لمُكعب الثلج؟ حقيقة أنه يطفو على سطح الماء هو سلوكٌ غير طبيعيّ. بالنسبة إلى جميع المواد في العالم تقريبًا، تكون حالتها الصلبة أكثر كثافة من الحالة السائلة، حيث أنها تغرق في السائل الذي تتواجد فيه ولا تطفو على وجهه. هذا ما يُشير إليه المنطق العلميّ أيضًا - عندما تبرد المادة، تتحرك الجزيئات الموجوده فيها ببطء أكثر، وتكون المسافات بينها صغيرة وتلتصق ببعضها البعض، بالتالي يجب أن ترتفع كثافتها. بينما يزداد حجم الماء عندما يتجمد؛ بسبب التركيب البلوري الفريد للجليد، الذي يحتوي على العديد من الفراغات حولها جزيئات الماء الموجودة ضمن مبنى سُداسي.
البنية الفراغية للبلور الثلجي. يمكنكم رؤية الهياكل السداسية بين الجزيئات|المصدر: ويكيبيديا