مبنى من الحلوى المهتزة لمحاكاة تأثير الزلازل

المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الجيولوجيا

الزلازل

الهندسة

المواد

مقدمة

هل تساءلت يومًا عن نوعية الأرض التي تُشَيَّد عليها المباني؟ تُوجد أنواع كثيرة ومختلفة من الأرض، كتلك التي تتكون من الصخر أو الحصى أو الرمل أو التربة، وغير ذلك. وتكتسب هذه المسألة أهميةً خاصةً في المناطق التي يُحتمل تعرُّضها للزلازل. في هذا النشاط، ستُشيِّد بنفسك مبنىً من الحلوى على طاولة مهتزة منزلية الصنع، وستكتشف كيف يُؤثر الزلزال على المباني التي شُيِّدت على أرض رملية. كيف سيكون سلوك هذا المبنى في نموذج محاكاةٍ لزلزال؟

معلومات أساسية

تُشبه الطبقة الخارجية للأرض أحجيةً تتكون من قطع ضخمة من الأرض. ويُطلَق على هذه القطع الصفائح التكتونية، وهي تنزلق ببطء على سطح الكرة الأرضية، ويدفع بعضها بعضًا وتنزلق كل واحدةٍ منها بجانب الأخرى. في بعض الأحيان، يُولِّد هذا الاحتكاك حركاتٍ مفاجئة، يمكن أن تتسبب في حدوث الزلازل. وتُطلق الزلازل الكثير من الطاقة التي تخرج في شكل موجات تسمى الموجات الزلزالية. هناك نوع من هذه الموجات يدفع ويسحب المواد التي يتحرك خلالها، وهذا يؤدي إلى شعور الناس بحركة إلى الأمام والخلف أو إلى اليسار واليمين. ويُعرَف هذا النوع من الموجات بالموجة الأولية. ويمكن أن تتحرك الموجة الأولية عبر المواد الصلبة والسائلة.

ويُؤثر أيضًا نوع الأرض التي تقف عليها في أثناء مرور موجة زلزالية على ما تشعر به. فغالبًا ما تعمل التربة الرخوة -مثل التربة الرملية- على مضاعفة الاهتزاز مقارنةً بالتربة الصلبة، مثل صخر الأساس. فبالإضافة إلى كونه ناعمًا، يمكن أن يخضع الرمل أيضًا لـ«عملية إسالة» في أثناء حدوث زلزال. وهو ما يعني أن سلوك الرمل يمكن أن يتغير من العمل كمادة صلبة إلى العمل كسائل ثخين، مما يزيد من قوة الاهتزاز.

في هذا النشاط، ستُشيِّد مبنىً وتضعه على مادة تُحاكي الرمل. وستختبر المبنى على طاولة اهتزاز منزلية الصنع، تُولِّد حركةً شبيهةً بحركة الدفع والسحب للموجة الأولية. إلى أي مدى سيصمُد المبنى أمام الزلزال؟

المواد المُستخدمة

• ورق تغليف اللحوم أو ورق جرائد
• ورق مُشمَّع
• قماش مبلل
• مكعبات من الحلوى المُغلفة أو مكعبات السكر (40 مكعبًا أو أكثر)
• زبدة فول سوداني مصنعة، أو أي بديل مثل زبدة الصويا أو زبدة بذور عباد الشمس
• ملعقة أو سكين زبدة
• نشا ذرة
• ماء
• كأس قياس
• صندوق قليل العُمق
• كرات بِلي أو أي كرات صغيرة متطابقة الحجم (دستة واحدة أو اثنتان)
• صينية قليلة العُمق أصغر ببضع بوصات من الصندوق القليل العُمق (يمكن استخدام صواني الكعك المصنوعة من الألومنيوم)
• شوكة
• لون طعام أصفر (اختياري)
• صلصال (اختياري)
• حبوب الجوز والعنب (اختياري)
• صوانٍ إضافية (اختياري)

التحضير

• استخدم ورق تغليف اللحوم أو ورق الجرائد لحماية المكان الذي تُجري فيه هذا النشاط. هذا سيساعدك في التنظيف السريع لاحقًا. جهِّز قطعة قماش مبللة لمسح يديك عندما تصبحان لزجتين بشدة.
• ضع أمامك قطعة من الورق المُشمَّع مساحتها خمس بوصات مربعة أو أكبر.
• أزل غلاف مكعبات الحلوى وافتح وعاء زبدة الفول السوداني. ستكون مكعبات الحلوى هي اللبنات التي تستخدمها في تشييد المبنى، وستكون زبدة الفول السوداني بمنزلة الملاط الذي يلصق الطوب معًا.
• خُذ قليلًا من زبدة الفول السوداني بملعقة أو سكين أو بإصبعك، وضعه على جانب أحد مكعبات الحلوى، ثم ألصق مكعبًا آخر به. كرِّر هذه العملية حتى يكتمل المبنى. يمكنك تشييد أي مبنى تريده، على أن يكون حجمه مناسبًا يسمح بوضعه داخل الصينية.
• ﻘُﺺ اﻟﻮرق المُشمَّع بحيث يتبقى نحو ﺑﻮﺻﺔ أو بوصتين ﻣﻦ اﻟﻮرق على ﺟﺎﻧبي اﻟﻤﺒﻨﻰ. ضع المبنى جانبًا على الورق المُشمَّع إلى أن تصبح جاهزًا لاختباره.
• لتحضير الخليط الذي سيُحاكي حركة الرمل في أثناء حدوث زلزال، خُذ ثلاث كؤوس من نشا الذرة وصُب هذه المقادير في الصينية قليلة العمق، ثم أضف كوبًا ونصف كوب من الماء. أضف بضع قطرات من لون الطعام الأصفر إذا كان متوافرًا. استعمل شوكة أو استخدم يديك لمزجه جيدًا. من المهم أن تحصل على القوام المناسب لخليط نشا الذرة. فلا بد من أن يكون الخليط متماسكًا بدرجة كافية لحمل مبنى التجربة، وأن يظل مع ذلك سائلًا بدرجة كافية بحيث يتسرب ببطء من الشوكة أو من أصابعك عندما تغرفه. أضف المزيد من نشا الذرة إذا كان الخليط سائلًا أكثر من اللازم، أو أضف المزيد من الماء إذا كان متماسكًا أكثر من اللازم. ضع الخليط جانبًا الآن.
• لبناء طاولة الاهتزاز الخاصة بك، ضع الصندوق قليل العمق أمامك. ضع كرات البِلي في الصندوق، ثم ضع الصينية التي تحتوي على خليط نشا الذرة بحيث تستقر فوق كُرات البِلي. عندما تهز الصندوق، يجب أن تتأرجح الصينية للخلف وللأمام أو لليمين ولليسار في أثناء تحرُّكها فوق كرات البِلي المتدحرجة.

الطريقة

• تدرَّب على كيفية هز طاولتك. قم بهزها بسرعة ولكن برفقٍ كافٍ وبالحركات المناسبة بحيث لا تصطدم الصينية بجوانب الصندوق.
• استخدم الورق المُشمَّع لتضع المبنى بحذرٍ فوق خليط نشا الذرة. ألقِ نظرةً متفحصة، إذ لا بد من أن يستقر المبنى على خليط نشا الذرة بحيث لا يفصل بينهما سوى الورق المُشمَّع، ولكن لا يجب أن يغوص فيه. لا بأس إن أحدث هيكلك بصمةً في الخليط، على غرار آثار الأقدام التي تُحفَر في الرمال الرطبة. ولكن إذا غاص المبنى ببطء إلى الأسفل، فهذا يعني أن المزيج رطب أكثر من اللازم. وفي هذه الحالة، أزِل المبنى وهو على الورق المُشمَّع، ثم ضع المزيد من نشا الذرة واخلطه جيدًا، وجرِّب مرةً أخرى.
• في رأيك، ما الذي سيحدث للمبنى عندما تهز الصندوق بسرعة؟
• هز الصندوق بسرعة كافية بحيث تتأرجح الصينية مع خليط نشا الذرة للأمام والخلف ولكن دون أن تصطدم بجانب الصندوق. وخلال هزك الصندوق، عُد إلى 20 قبل أن تتوقف لملاحظة ما يحدث. هل تغير المبنى بأي طريقة؟ هل تستطيع رؤية علامات تشقُّق؟ هل غاص المبنى في الخليط أكثر؟
• ما الذي تعتقد أنه سيحدث إذا هززت الطاولة بقوة أكبر أو لمدة أطول؟
• جرب بنفسك! زد القوة التي تهز بها الصندوق تدريجيًّا، مع الحرص على عدم اصطدام الصينية بجانب الصندوق. انظر إلى خليط نشا الذرة وأنت تهز الصندوق، هل يمكنك رؤيته وهو يتحرك مثل سائل ثخين للغاية؟
• قيِّم الضرر. هل لا يزال المبنى قائمًا؟ هل غاص المبنى أو الحطام في عمق الخليط، أم أنه ما زال قائمًا أو فوقه؟ لماذا يحدث هذا؟
• ادفع إصبعك في الخليط، هل الخليط متماسك؟
• استمر في الدفع بينما تهز الصندوق بقوة مستخدمًا يدك الأخرى، هل تغوص إصبعك في الخليط؟ هل تشعر أن السائل ثخين جدًّا؟ ما السبب وراء ذلك؟
• نشاط إضافي: استخدم مواد مختلفة لمحاكاة أنواع مختلفة من التربة، واستخدم طاولة الاهتزاز لتحديد أنواع التربة القادرة على حمل المبنى على نحوٍ أفضل. يمكن أن يكون الصلصال نموذجًا لصخر الأساس، وأن تكون حبوب الجوز والعنب نموذجًا للحصى، وأن يمثل خليطٌ يتكون من حبوب الجوز والعنب بواقع جزأين إلى ثلاثة أجزاء والماء بواقع جزء واحد مثالًا جيدًا لمحاكاة التربة المفككة. كرِّر الخطوات السابقة نفسها مع كل نوع من أنواع التربة هذه. اختبر مبانيَ متطابقة، وحافظ على ثبات قوة الاهتزاز ومدته. هل ستجعل بعض أنواع التربة الاهتزاز الناتج عن الموجة الأولية، أشد قوةً مقارنة بأنواع أخرى منها؟
• نشاط إضافي: اختبر تصاميم مختلفة للمباني، وحافظ على ثبات قوة الاهتزاز ومدته ولا تُغير نوع التربة، ولكن جرب تصميم مبنى مختلف. هل سيكون المبنى المرتفع أكثر عرضةً للخطر؟ هل سيكون من الأفضل أن يكون لديك مساحة سطح كبيرة، أم أن المباني الأصغر ستقاوم الاهتزاز الناتج عن الموجة الأولية على نحوٍ أفضل؟

المشاهدات والنتائج

هل أصبح خليط نشا الذرة سائلًا ثخينًا بعد رجِّه بقوة؟

يعمل خليط نشا الذرة كمادة صلبة عندما يُترك على حاله، ولكنه يتصرف كسائل ثخين عندما يُرَجُّ بقوة. يمكنك أن ترى وتشعر بأنه كان أشبه بمادة صلبة في البداية، وذلك لأنه كان يحمل المبنى، ويمكنك أن تشعر أن الخليط كان يقاوم إصبعك عندما كنت تضغط عليه. ولكن عملية الاهتزاز أحدثت تغييرًا في هذا الوضع. فالأرجح أن المبنى أو حطامه قد غاص في الخليط في أثناء رجِّ الصندوق، تمامًا مثلما سيغوص في الوحل السميك. من المحتمل أن تشعر أيضًا أن الخليط يُفسح المجال لإصبعك عندما تهز الصندوق في أثناء الضغط على الخليط، تمامًا مثلما يحدث في سائلٍ ثخين.

يعمل الرمل بطريقة مماثلة. ففي الظروف العادية، يتصرف كمادة صلبة، ولكن عندما يُرجُّ بقوة يتصرف كسائل ثخين. وهذا ما يُطلِق عليه العلماء عملية الإسالة، ومن المعروف أن الزلازل تعمل على تفعيل هذه العملية.

تُمثِّل طاولة الاهتزاز في هذا النشاط الحركة لليمين واليسار أو للخلف وللأمام التي تُحدِثها الموجة الأولية في أثناء الزلزال. ولكن الموجة الزلزالية الحقيقية تُولِّد حركةً أكثر قوة. لم تستخدم رملًا حقيقيًّا في هذا النشاط، وهذا لأنك تحاول محاكاة العملية التي يتغير فيها سلوك الرمل من سلوك مادة صلبة إلى سلوك مادة سائلة عندما يهتز في أثناء الزلزال. فعن طريق طاولة الاهتزاز التي تستخدم فيها يدَك كقوة دافعة، لا يمكنك هز الرمل بسرعة كافية لتفعيل عملية الإسالة، لذلك استخدمنا خليط نشا الذرة بديلًا لذلك.

إذا كنت قد استخدمت مواد “أرضية” أخرى (مثل: حبوب الجوز والعنب أو الصلصال) في التجربة، فربما شاهدت نتائج مختلفة بعد حدوث عمل الاهتزاز. بناءً على المادة التي استخدمتها في التجربة، ما نوع الأرض التي يمكن أن تُشيِّد بها مبنًى في منطقة معرَّضة للزلازل؟ في معظم المناطق التي يشيع فيها حدوث الزلازل، يستخدم المهندسون العديد من الإستراتيجيات الأخرى لمساعدة المباني على مقاومة الاهتزاز، والتي يمكنك معرفة المزيد عنها في قسم «استكشف المزيد».

تنظيف مكان التجربة

تخلَّص من خليط نشا الذرة والماء في القمامة، ولا تصبه في البالوعة لأنه يسد المواسير.