رفع حِمل كبير باستخدام السوائل

المفاهيم الأساسية

علم الفيزياء

الهندسة

الآلات البسيطة

القوة

الضغط

مقدمة

لا يمكن حتى لأقوى إنسان أن يرفع شاحنةً في الهواء، ومع ذلك فإن أدمغتنا على درجة من الذكاء تكفي لصنع أدوات يمكنها أن ترفع الأجسام الثقيلة نيابةً عنَّا، تلك هي الروافع الهيدروليكية! يمكنك أن تجد تلك الروافع في ورش إصلاح السيارات، وفي الكراسي المتحركة، بل وحتى في مواقع بناء ناطحات السحاب. وهي تستخدم الماء (أو السوائل الأخرى) لزيادة القوة المتاحة لرفع الأشياء. وفي هذا النشاط، ستتعلم كيفية تصميم إحدى تلك الروافع! جرِّب ذلك واكتشف كيف تكون عملية الرفع أسهل باستخدام الطاقة المائية.

معلومات أساسية

إذا كان قد سبق لك استخدام عربة يد، فإنك تعلم أنها يمكن أن تُساعد في رفع الأجسام الثقيلة؛ فرفع مقابض عربة اليد أسهل من رفع الجسم نفسه. وتؤدي الرافعة الهيدروليكية المهمة نفسها؛ فهي تتيح لك تحريك جسم ثقيل بجهد أقل بكثير.

يشير مصطلح «هيدروليكي» إلى الأدوات التي تعمل عن طريق تحريك السوائل، مثل الماء أو الزيت. فلا يمكنك ضغط السوائل (ما لم يكن لديك معدات خاصة). وهذا معناه أنه مهما ضغطت على السائل، فلا يمكنك تغيير حجمه بدرجة محسوسة. جرّب ذلك! أحضر محقنًا يُستخدم في إعطاء الدواء عن طريق الفم واملأه بالماء، ثم أغلق طرفه المفتوح بإصبعك، وحاول الضغط على المكبس. سترى أنك لا تستطيع ذلك. وحتى لو استطعت وضع فيل على المكبس، فلن يتمكن من ضغط السائل الموجود في المحقن. إذًا، كيف يمكنك الاستفادة من هذه الطاقة المائية؟

عندما تحاول تحريك شيءٍ ما، فليس من المهم أن تبذل قوةً فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى أن تأخذ بعين الاعتبار المساحة الكاملة التي يتوزع عليها تأثير القوة. عُد بذاكرتك إلى الوقت الذي كنت تلعب فيه بالصلصال. كان من السهل أن تدفع إصبعك في العجين، لكن دفع راحة يدك فيه كانت أصعب، وربما شعرت بمقاومة أكبر. فنظرًا إلى أن مساحة سطح يدك أكبر، فإن الجهد الذي تبذله يتوزع على مساحة أكبر، ولا يتلقى العجين القدر نفسه من القوة لكل بوصة مربعة مثلما يتلقى عند دفعه بإصبع واحدة. فكر الآن في هذه المشكلة بطريقة معكوسة: في بعض الأحيان تحتاج إلى قوةٍ أقل لكل بوصة مربعة، كما هي الحال عندما تحاول رفع شيءٍ ما. هل هناك طريقة لوضع جسم على سطح أكبر بحيث يُولِّد ضغطًا أقل عندما تحاول رفعه؟ جرّب هذا النشاط لتستكشف ذلك بنفسك!

المواد المستخدمة

• اثنان من ألواح الحائط المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، بحجمٍ لا يقل عن 4.5 × 2.75 بوصة. (هذه الألواح متوافرة في متاجر المعدات المنزلية).
• محقنان فمويان صغيران (عادةً ما يُقدَّر حجم هذه المحاقن بقياسات مترية، محقن بحجم 25 ملليلترًا أو 25 سنتيمترًا مكعبًا سيفي بالغرض جيدًا)، (هذه المحاقن متوافرة في الصيدليات).
• محقن فموي كبير أو محقن ري (المحقن الذي يقارب حجمه 60 ملليلترًا أو 60 سنتيمترًا مكعبًا سيفي بالغرض جيدًا، كما يُشار إلى أن المحقن الذي له طرف قسطرة سيسهل العمل به أكثر من غيره)، (متوافر في الصيدليات).
• شريط لاصق مزدوج قوي للغاية يمكن تثبيته على الحائط.
• أنبوب مصنوع من السيليكون، يبلغ طوله 4 أقدام، ويبلغ قطره الداخلي 5/32 بوصة. (متوافر في متاجر الهوايات ومتاجر المعدات المنزلية وعلى الإنترنت).
• مقص.
• مِلزمة.
• سطح متين يمكن تعليق المِلزمة عليه.
• إناء ممتلئ بالماء (مع غطاء مغلق بإحكام) و/ أو جسم ثقيل آخر يمكن وضعه على لوح الحائط.
• وعاء كبير من الماء.
• مسطرة.
• ورقة وقلم أو قلم رصاص.
• أحد الكبار لتقديم المساعدة.
• مساحة عمل يُسمح فيها بالفوضى.
• معجون سيليكوني يستخدمه السباك (اختياري) (متوافر في متاجر المعدات المنزلية).
• ميزان (اختياري).
• محاقن بأحجام أخرى لها طرف قسطرة (اختياري).

التحضير

• ضع محقنًا صغيرًا جانبًا. هذا المحقن سيكون المحقن «الأساسي»، وستستخدمه من أجل تحريك الرافعة. أما المحقنان الآخران (أحد المحقنين الصغيرين والمحقن الكبير) فسيحملان الثقل الذي تحتاج إلى رفعه. هذان سيكونان المحقنين «المساعدين».
• استخدم الشريط اللاصق المزدوج القوي للغاية لإلصاق مركز أحد ألواح الحائط بالجزء العلوي المسطح لكلٍّ من مكبسي المحقنين المساعدين.
• اقطع الأنبوب بعناية إلى جزأين، بحيث يبلغ طول كلٍّ منهما نحو قدمين.
• صِلْ أنبوبًا بلاستيكيًّا بطرف كلٍّ من المحقنين المساعدين (المحقنين المُلصقين باللوحين).
• ادفع المكبس إلى الأسفل حتى نهايته في كلا المحقنين المساعدين، بحيث يدخل بالكامل في الأسطوانة.
• ضع الطرف الحر لكل أنبوب في الماء واحدًا تلو الآخر، واسحب المكابس لأعلى بسلاسة إلى أبعد ما يمكنها أن تصل إليه دون أن تنزعها من المحاقن. ستمتص المحاقن الماء.
• أمسك كل محقن (واحدًا تلو الآخر) بحيث يتجه طرفه إلى أعلى. أزل فقاعة الهواء الموجودة بالقرب من طرف المحقن عن طريق دفع المكبس للداخل ببطء، حتى تُفرِّغ الأنبوب من جميع ما فيه من هواء.
• ضع طرف أنبوب المحقن الصغير مرةً أخرى في الماء، وامتص المزيد من الماء.
• يجب ألا يُترك سوى القليل جدًّا من الهواء في أيٍّ من الأنابيب أو المحقنين المساعدين. ويجب أن يكون المحقن الصغير ممتلئًا، أما المحقن الأكبر فيمكن أن يكون نصف ممتلئ.
• علِّق المِلزمة على سطح متين.

الخطوات

• أدخل طرف المحقن الأساسي في الطرف الحر للأنبوب المتصل بالمحقن الصغير المساعد. ادفع مكبس هذا المحقن المساعد إلى الداخل. ما الذي يحدث للمحقن الأساسي؟ لماذا يحدث هذا الأمر؟ هل تحتاج إلى الدفع بقوة لجعل الماء ينتقل من أحد المحقنين إلى الآخر؟ (في حال انخلع الأنبوب، أعد ملء الأنبوب والمحقنين المساعدين بالماء، وأعد توصيل الأنبوب بالمحقن الأساسي. وإذا لزم الأمر، أغلق الوصلة بالمعجون السيليكوني).
• ينبغي الآن أن يكون المحقن الأساسي ممتلئًا بالسائل.
• استخدم المِلزمة في تثبيت المحقن المساعد رأسيًّا بعناية، مع جعل اللوح في وضع أفقي بحيث يكون وجهه إلى أعلى. واحرص على عدم سحق أسطوانة المحقن؛ لأن ذلك سيعوق حركة المكبس.
• املأ الإناء بالماء، وضعه بالضبط في مركز المنصة المتصلة بالمحقن المساعد في المِلزمة. هل تعتقد أنه يمكنك رفع هذا الثقل بسهولة عن طريق الضغط على المحقن الأساسي؟
• جرّب ذلك. ادفع برفق حتى لا يسقط الإناء. قد تحتاج إلى مساعد لإبقاء البناء في وضع عمودي. هل كان تنبؤك في محله؟
• أبعد الإناء عن المنصة، وادفع مكبس المحقن المساعد إلى الأسفل، حتى يمتلئ المحقن الأساسي بالسائل، وبعد ذلك ضع الإناء (أو أي جسم ثقيل آخر) على المنصة، وارفعه مرةً أخرى. استخدم مسطرةً لقياس إلى أي مدى يتحرك الحِمل (الإناء الممتلئ بالماء) إلى أعلى. (قد تحتاج إلى شخص يُساعدك في هذه الخطوة). دوِّن تلك المسافة.
• بهذا تكون قد اختبرت تصميمًا تتساوى فيه أحجام المحاقن المساعدة والأساسية. بدِّل المحقن المساعد (المحقن الذي يحمل الأثقال) بمحقن أكبر من المحقن الأساسي. هل تعتقد أن رفع الإناء في هذا التصميم سيكون أسهل أم أصعب؟ وهل تعتقد أن الإناء سيرتفع أكثر أم أقل أم بالقدر نفسه تقريبًا؟ وما السبب في رأيك؟
• كرِّر هذا الإجراء باستخدام المحقن المساعد الأكبر حجمًا لتتبيَّن ما يحدث! (لاحظ أنك لن تكون بحاجة إلى الضغط على المحقن المساعد بالكامل لملء المحقن الأساسي).
• استخدم المسطرة من أجل قياس مقدار ارتفاع اللوح، ودوِّن تلك المسافة.
• قارن القياسات التي دوَّنتها لكل تصميم. لماذا هي مختلفة في رأيك؟
• هل ساعد أحد التصميمين في تسهيل حركة الإناء؟ لماذا تعتقد ذلك؟ وأي تصميم ستختاره لرفع شاحنة ثقيلة؟ ولماذا؟
• نشاط إضافي: حاول رفع أجسام أثقل وأثقل إلى أن تصل إلى أجسام تكاد تصبح عاجزًا عن رفعها. تذكر أن تضع الأجسام في مركز اللوح (إذا وُضع وزن ثقيل خارج المركز، فقد ينقطع الشريط اللاصق، وقد يسقط الجسم الذي وضعته). جرِّب ذلك لكل تصميم، وإذا كان لديك ميزان، زن الأثقال المختلفة التي تمكنت من رفعها باستخدام كل مجموعة من مجموعات المحاقن. أيُّ تلك المجموعات كانت قادرةً على رفع ثقل أكبر؟ وما سبب ذلك في رأيك؟
• نشاط إضافي: قِس نصف قطر أسطوانات المحاقن المساعدة الصغيرة والكبيرة. هل يمكنك استخدام هذه الأرقام لإيجاد معامل تضاعف الثقل الذي يمكنك رفعه عند الانتقال من محقن صغير إلى محقن كبير؟
• نشاط إضافي: جرِّب مجموعات أخرى من المحاقن تحتوي على توليفات من أحجام مختلفة. هل يمكنك أن تلحظ نمطًا معينًا في نتائجك؟
• نشاط إضافي: صمِّم رافعة هيدروليكية لكرسي متحرك، أو كرسي عيادة أسنان، أو رافعة سيارات اللعب.

المشاهدات والنتائج

الأرجح أنك وجدت أنه من الأسهل رفع الإناء باستخدام المحقن المساعد الكبير. في هذه التوليفة من المحاقن، من المرجح أن الإناء تحرك أيضًا لمسافة أقصر بكثير.

عندما تضغط على أحد المكبسين، فإن السائل الموجود داخل النظام المغلق يضغط بالقدر نفسه على المكبس الآخر. ونظرًا إلى أن الضغط ينشأ عن تأثير قوةٍ معينة على مساحةٍ ما، فإن دَفعة بسيطة على مساحة صغيرة تُولِّد الضغط نفسه الذي ينتج عن دَفعة أكبر كثيرًا على مساحة أكبر كثيرًا. وهذا هو السبب في أن الرافعة الهيدروليكية يمكنها أن تضاعف القوة؛ فعندما تضغط على مكبس صغير، ينتقل الضغط المتولِّد عبر السائل إلى مكبس أكبر كثيرًا، والحِمل الموجود على المكبس الأكبر يتأثر بدَفعة أكبر بكثير من الدَّفعة الأولى. لهذا السبب، كان الأمر أسهل، وإذا حاولت، يمكنك تحريك ثقل أكبر بمحقن مساعد كبير، مقارنةً بمحقن صغير.

هل رأيت كيف نُقل السائل من عمود إلى آخر في أثناء هذه العملية؟ فنظرًا إلى أن حجم السائل لا يتغير، فلن يتحرك المكبس الأكبر بالقدر نفسه الذي يتحرك به المكبس الأصغر. لكن هذه هي المقايضة الضرورية للتمكُّن من رفع جسم ثقيل!