تجربة ممتعة يمكننا تطبيقها كلّما أحببنا أن نأكل بيضة مسلوقة !
سوف نُريكم في هذه التّجربة كيف نصنع مدوارًا منقلبًا من بيضة مسلوقة، ونشرح ما الغريب في ذلك
الموادّ المطلوبة
- بيضة مسلوقة جيّدًا
مجرى التّجربة
يمكن مشاهدة مجرى التّجربة في الفيلم التّالي:
شرح
جرت العادة بأنّ يظهر في هذا القسم من المقالة، تفسير مفصّل بلغة بسيطة، يشرح الظّاهرة المعروضة في التّجربة. هذه المرّة، سنخرج عن المعتاد، وبخلاف التّجارب الأخرى في "علوم في المنزل" لن يظهر تفسير مبسّط، لسبب بسيط وهو أنّه لا يتوفّر تفسير كهذا. بكلمات أخرى، الظّاهرة بسيطة جدًّا: ندير بيضة "منبطحة" دورانًا سريعًا، فتنقلب خلال دورانها، أي أنّها تبدأ بالدّوران بحالة "عموديّة" على أحد طرفيها الحادّين.
لكنّ تفسير الظّاهرة معقّد جدًّا، وهي غريبة، وتبدو أشدّ غرابة لمَنْ تعلّم الفيزياء. وتشهد الصّورة التّالية على ذلك (وردت الصّورة ذاتها في الفيلم) للحائزَيْن على جائزة نوبل في الفيزياء: فولفغانغ باولي ونيلز بور (للإشارة، كلاهما من أصل يهوديّ)، وهما ينظران إلى مِدوار منقلب بدهشة واهتمام.
الحائزان على جائزة نوبل: فولفغانغ باولي (من اليسار) ونيلز بور (من اليمين) وهما يلعبان بالمدوار المنقلب مندهشين. تموز / يوليو 1954 | ملكيّة عامّة
شخصيًّا، أحبّ هذه الصّورة لأنّها تذكّرني بجملة سمعتها من الدّكتور موشي ريشبون، أحد مؤسّسي وحدة النّشاط الشّبابيّ في معهد وايزمان، الّتي تحوّلت لاحقًا إلى معهد دافيدسون للتّربية العلميّة: "الفرق الوحيد بين الأولاد والعلماء هو ثمن ألعابهم". على أيّة حال، ما الّذي يجعل فيزيائيّين مشهورين يندهشون من رؤية مِدوار منقلب؟ لأنّ ظاهرة الانقلاب تناقض، ظاهريًّا، مبدأين فيزيائيّين مهمّين جدًّا: اِرتفاع مركز الكتلة، وتغيير في اتّجاه محور الدّوران.
تفسير: توجد لكلّ جسم "نقطة" تشير إلى المكان الّذي تتركّز فيه كتلة الجسم كلّها. تُسمّى هذه النّقطة "مركز الكتلة". اُجرِيَت تجارب كثيرة حول هذا الموضوع: كيف نوازن سكّينًا وشوكة على نقطة في الهواء، مطرقة حائمة في الهواء، وبيضة تقف على رأسها.
بشكل عامّ، يشدّ مركز الكتلة للتّواجد في النّقطة الأكثر انخفاضًا واستقرارًا. وبالفعل، عندما نحاول إيقاف بيضة على رأسها الحادّ، يتبيّن أنّها مَهمّة مستحيلة، إذ تقع البيضة، دائمًا، على نقطة مركز الكتلة المنخفض، أي تنبطح على جانبها (للتّغلّب على هذه المشكلة، يجب استخدام حيل مختلفة، مثل تكبير القاعدة).
عندما ندير البيضة "يصعد" مركز كتلتها إلى أعلى. يتطلّب رفعُ الكتلة إلى أعلى بذلَ طاقة. يجب التّنويه، إلى أنّه لا يوجد "خرق" للقوانين الفيزيائيّة أو تناقض معها ، فالأمر واضح أنّ الطّاقة الّتي ترفع البيضة تأتي من دورانها، إلّا أنّ الآليّة ليست واضحة.
الأمر الثّاني غير المتوقّع هو تغيّر محور الدّوران. تدور البيضة، أوّلًا، حول المحور الّذي يمرّ في الجزء الضّيّق منها، ثمّ تأخذ بالدّوران على طولها. نعيد ونكرّر، يرى الفيزيائيّ هذا الأمر غريبًا! بخصوص الأجسام الّتي تدور، هناك مقدار يُسمّى "الزّخم الزّاوي"، وينصّ قانونه في الفيزياء على ثبات دورانه واتّجاهه. وهذا ما يفسّر، مثلًا، صعوبة تحريف الدّوّار الّذي يدور بسرعة عن مجرى دورانه، بقاء المدوار العادي ثابتًا خلال دورانه، حفاظ الدّرّاجة النّاريّة على ثباتها خلال سيرها على الشّارع، وهو المسؤول عن دوران البوميرانج (القرص الأستراليّ). وبالرّغم من ذلك، تدور البيضة، حالًا، بزاوية 90 درجة، ويدور مدوار منقلب في زاوية 180 درجة. الأمر غريب جدًّا.
يبدو أنّ هناك قوّة تدفع المدوار لهذا السّلوك. أبسط ما يمكن قوله إنّ هذا الأمر يرتبط، على ما يبدو، بالاحتكاك: عندما نحاول أن ندير مدوارًا منقلبًا، أو بيضة مسلوقة على سطح أملس، فهما ينقلبان أقلّ أو لا ينقلبان بتاتًا. لكن، فهم كيفيّة تأثير الاحتكاك ليس سهلًا.
مقتطفات من صور شاشة لمقالات علميّة تعالج الفيزياء (المعقّدة) للمدوار والبيضة المنقلبين.
لمن يهمّه الأمر ويرغب في التّعمّق في الموضوع، فيما يلي روابط لمقالات علميّة باللّغة الإنجليزيّة تشرح فيزياء المدوار المنقلب. تتطلّب المقالات معرفة بالفيزياء بمستوى لقب أوّل على الأقل. يتطلّب الاطّلاع على بعض هذه المقالات كاملةً اشتراكًا في المجلّة.
Motion of the Tippe Top : Gyroscopic Balance Condition and Stability
Tippe Top Inversion as a Dissipation-Induced Instability
Dynamics of the tippe top via Routhian reduction
الترجمة للعربيّة: أ. خالد مصالحة
التدقيق والتحرير اللغوي: د. عصام عساقلة
الإشراف والتدقيق العلمي: رقيّة صبّاح أبودعابس