البالون السحري ومبدأ برنولي

المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الضغط

مبدأ برنولي

تدفق الهواء

مقدمة

هل سبق أن رأيتَ صورًا أو مقاطع فيديو لسقف منزل يُقتلع في أثناء إعصار أو زوبعة؟ قد تُفاجأ إذا عرفت أن السقف لم يُقتلع في الواقع بفعل قوة الرياح، بل بسبب الهواء داخل المنزل! يمكن تفسير ذلك من خلال مبدأ برنولي Bernoulli’s principle، الذي ينص على أن السوائل أو الهواء سريع الحركة، مثل الرياح القوية، تتمتع بضغط أقل من الهواء بطيء الحركة. وخلال الإعصار، فإن التدفق السريع للهواء فوق شكل السقف يولّد منطقةً ذات ضغط منخفض، وهذا يصنع فرقًا في الضغط بين الهواء الخارجي والهواء داخل المنزل. وفي نهاية المطاف، يصبح فرق الضغط كبيرًا بما يكفي ليبدأ الهواء داخل المنزل في دفع السقف إلى الأعلى. يتحول الضغط على سقف المنزل إلى قوة رفع، على غرار ما يحدث مع جناح الطائرة، فيطير بعيدًا! في هذا النشاط، ستعمل على تطبيق مبدأ برنولي، ولكن لا داعي للقلق، فسيكون سقف منزلك بأمان!

خلفية

دانييل برنولي عالِم سويسري، درس في القرن الثامن عشر سلوك السوائل عندما تكون في حالة حركة. وقد توصل إلى اكتشاف في أثناء إجرائه تجربةً على السوائل التي تتدفق عبر أنبوب على شكل ساعة رملية. فقد أدرك أن السوائل سريعة الحركة تنتج ضغطًا أقل، وأن السوائل بطيئة الحركة تنتج ضغطًا أكبر. وأصبح اكتشافه معروفًا باسم مبدأ برنولي Bernoulli principle. ولا ينطبق هذا المبدأ على السوائل فقط، بل على الهواء أيضًا، لأن الغازات -تمامًا مثل السوائل- قادرة على أن تتدفق وأن تأخذ أشكالًا مختلفة. يمكن إجراء إثبات بسيط لمبدأ برنولي من خلال جعل كرة بينج بونج تحوم في مجرى هواء متحرك، على سبيل المثال، فوق مروحة أو مجفف شعر موجّه مباشرةً إلى الأعلى. لماذا لا تطير الكرة بعيدًا عن المروحة؟ بسبب مبدأ برنولي؛ فضغط الهواء سريع الحركة الذي يحمل الكرة في الهواء يكون أقل من ضغط الهواء المحيط بالكرة. وعندما تبدأ الكرة في الابتعاد عن عمود الهواء فوق المروحة، فإن الهواء عالي الضغط المحيط يدفعها مجددًا إلى منطقة الضغط الأقل فوق المروحة. نتيجةً لذلك، تبقى الكرة حائمةً فوق المروحة.

يمكن أن يشرح مبدأ برنولي أيضًا كيف يتم توليد قوة الرفع لأعلى تحت جناح الطائرة. فأجنحة الطائرة مُصمّمة بطريقة تجعل الهواء المتدفق فوق الجزء العلوي للجناح يتحرك أسرع من الهواء المتدفق تحته. وهذا يصنع فرقًا في الضغط، بحيث يكون الضغط على الجزء العلوي من الجناح أقل من الضغط على الجزء السفلي منه. وهذا الهواء عالي الضغط يدفع الجناح لأعلى، وبالتالي، يولد قوة رفع للأعلى (على غرار مثال سقف المنزل السابق). توجد العديد من الأمثلة لشرح مبدأ برنولي في العالم من حولنا، وسنُجري واحدًا منها في هذا النشاط. لن تنطوي التجربة على الطيران أو جعل سقف منزل يطير، لكنها ستكون مثيرةً للدهشة بالقدر نفسه، بل في الواقع ستكون أشبه بالسحر!

المواد اللازمة للتجربة

• بالونان من الحجم نفسه

• خيط (طوله حوالي 60 سم)

• مقص

• شريط لاصق

• إطار باب

• أنبوب من محارم ورقية

التحضير

• انفخ البالونين، واعقدهما عند طرفيهما بحيث يكون كلا البالونين بالحجم نفسه تقريبًا.

• قص قطعتين من الخيط، بحيث يكون طول كلٍّ منهما حوالي 30 سم.

• اربط نهاية الخيط الأول بأحد البالونات.

• اربط نهاية الخيط الثاني بالبالون الثاني.

• استخدم الشريط اللاصق للصق الطرف الحر من كلا الخيطين بأسفل الجزء العلوي من إطار الباب. باعد بين البالونين بحيث تترك حوالي 15 سم بينهما.

تأكد من أن البالونين بعيدان عن مجرى هوائي قوي (مثل فتحة تهوية أو مروحة).

التجربة

• قف أمام البالونين وأمسك أنبوب المحارم الورقية حتى تتمكن من نفخ الهواء في الفراغ الموجود بينهما. ماذا تتوقع أن يحدث للبالونين إذا نفخت الهواء بينهما؟

• تأكد من أن البالونين لا يتحركان. ثم انفخ في أنبوب ورق المحارم ببطء شديد. حاول الحفاظ على ثبات تدفُّق الهواء. ماذا تلاحظ؟ هل يتحرك البالونان؟

• إذا تحرك البالونان، أوقف حركتهما ثم انفخ بينهما مرةً أخرى من خلال الأنبوب الورقي. حاول هذه المرة أن تنفخ أقوى من ذي قبل مع الحفاظ على ثبات تدفُّق الهواء. ماذا حدث للبالونين هذه المرة؟ هل يمكنك شرح ملحوظاتك؟

• كرر الخطوة السابقة، ولكن هذه المرة انفخ في الأنبوب بأقوى ما تستطيع، وحاول الحفاظ على ثبات تدفق الهواء. هل تتغير نتائجك مع زيادة تدفق الهواء؟ لماذا يحدث ذلك أو لماذا لا يحدث؟

نشاط إضافي: كرر التجارب نفسها مع استخدام أنابيب مختلفة الأحجام. هل للأنابيب ذات القطر الأصغر، مثل الشاروقة، التأثير نفسه؟

نشاط إضافي: اكتشف ما إذا كان لا يزال بإمكانك تحريك البالونين إن كانا بعيدين عن بعضهما. غيِّر المسافة بين البالونين، واختبر إذا كان ذلك سيؤثر على نتائجك. هل اكتشفت المسافة القصوى أو الدنيا التي يفقد النشاط فاعليته بعدها؟

نشاط إضافي: بدلًا من البالونين حاول استخدام كرتي بينج بونج أو أغراضًا أخرى في هذا النشاط. هل ما زلت تلاحظ التأثير نفسه مع أغراض أكبر أو أصغر أو أثقل؟

الملحوظات والنتائج

هل لاحظت أن البالونين تحركا بشكل مدهش نحو بعضهما دون أن يلمسهما أحد على الإطلاق؟ التأثير الذي لاحظته هو إثبات رائع لمبدأ برنولي. فطالما أن كلا البالونين يتدلى من إطار الباب، يكون الهواء المحيط بهما من كل اتجاه ثابتًا. وهذا يعني أن الهواء يمارس القدر نفسه من الضغط على كل جانب من جوانب البالونين وأن كلا البالونين ثابت. وعندما تنفخ الهواء ببطء بين البالونين، فمن المرجح أنهما لن يتحركا كثيرًا. وذلك لأن تدفق الهواء ببطء شديد لا يغير كثيرًا ظروف الضغط حول البالونين.

لكن عندما تنفخ في الأنبوب الورقي بقوة أكبر، لا بد وأنك لاحظت أن البالونين اقتربا بشكل مدهش من بعضهما. فعندما نفخت بقوة بين البالونين، أنشأتَ منطقةً من الضغط المنخفض؛ لأن الهواء سريع الحركة يولِّد ضغطًا أقل. فانخفض ضغط الهواء بين البالونين بالمقارنة مع ضغط الهواء حول بقية أجزاء البالونين. ولأن الضغط العالي يدفع نحو الضغط المنخفض، فقد تحرك البالونان باتجاه بعضهما. يمكنك ملاحظة الأمر نفسه إذا استخدمت كرتي بينج بونج بدلًا من البالونين. ولكن مع الأجسام الأثقل وزنًا، قد لا يكون فرق ضغط الهواء الناتج كافيًا لتحريكها. والمسافة بين البالونين مهمة كذلك، فإذا كانت المسافة بينها كبيرة جدًّا، فسينتفي تأثير منطقة ضغط الهواء المنخفض الناتجة عن النفخ.