تسألني ما هو “سليرب!”؟ هذا صوت ارتشاف القهوة بالطبع! وتذكر أنه “ارتشاف” وليس “شُرب”، فهناك فارق جوهري بين الحالتين. على أية حال، هذا أنا أحاول كتابة مقال جديد لموقع عالم الإبداع بينما “أرتشف” القهوة وأتأمل الكون متظاهرًا بالحكمة. إن الوصول لحالة النيرفانا لأمر عسير

“هلا منحتني بعض القهوة؟!”

سحبني السؤال من مركز المجرة، لأتطلع إلى ابنتي. أي معجزة تجعل طفلة في السادسة من العمر تحب طعم القهوة الترابي؟ على أيامنا كانت القهوة مرادفًا للهيروين، لكن لا بأس. لا ضرر من إضافة القليل من قدحي إلى كوب اللبن الساخن الذي تحمله في انتظار.

هكذا، استعرت منها كوب اللبن ووازنته بيدي أمام قدح القهوة الذي أمسك به باليد الأخرى. لابد أن يتم الأمر سريعًا، وبخفة يد أثق أني أتمتع بها. ابنتي تنظر لي وكأنما تشاهد عرضًا سحريًا … هذا يمثل ضغطًا إضافيًا، لكني سأفعلها بنجاح!

في ثقة وبابتسامة مشجعة فعلتها، لتسيل القهوة إلى كل شيء من حولي إلا كوب اللبن نفسه! ماذا كان لون السجادة تحت قدمي قبل أن “أدلق” القهوة عليها؟! بالمناسبة، فعل “دلق” من العربية الفصحى وليس من العامية كما تعتقد؛ وهو اختيار مناسب للفظ هنا كي نصرف الانتباه عن الكارثة التي فعلتها منذ ثواني. السؤال المهم هنا هو لماذا تتصرف السوائل دومًا على هذا النحو الشرير؟ لماذا ترفض القهوة مغادرة الأكواب في سلام دون أن تسيل وتغرق بنطالك وتبقّع سجادتك المفضلة؟!
الإجابة بسيطة: للسبب نفسه الذي يجعل الطائرة ترتفع في الهواء!

على الأرجح، لم يسبق لك أن سمعت عن هنري كواندا Henri Marie Coandă؛ وهو أمر مؤسف صدقني. كواندا هو أول من صنع طائرة بمحرك نفاث في العالم،  في عام 1910، ومع أنه ابتكاره المدهش حينها لم يعمل كما ينبغي حيث تحطمت الطائرة عند هبوطها، إلا أن أبحاثه واسهاماته في السنوات التالية كان لها أكبر الأثر في فهمنا لآلية عمل أجنحة الطائرات وقوة الرفع.

ففي عام 1934، قام كواندا بتسجيل براءة اختراع لجهاز يعمل وفق ما يعرف حاليًا بتأثير كواندا Coanda effect، والذي يقضي بأنه على سطح مقوس، سيخلق أي سائل يتدفق فوقه ضغطًا داخليًا يحافظ على تدفقه على طول هذا السطح متبعًا انحنائاته. يمكنك تجربة الأمر بأن تفتح صنبور الماء لديك في المطبخ وتضع ظهر الملعقة المقوس أسفل سيل الماء المنهمر. هنا ستجد الماء قد اتخذ اتخذ مسارًا منحنيًا مع  تحدب المعلقة بدلًا من مواصلة التدفق في خط مستقيم. ولأن الهواء يعتبر مائعًا كما الماء، فإن جناحا الطائرة يستغل هذا التأثير لتوليد قوة الرفع اللازمة للتحليق بالطائرة. لكن كيف؟ سيتطلب هذا الانتقال إلى مبدأ فيزيائي آخر يدعى مبدأ برينولي Bernoulli’s principle.

قام عالم الرياضيات السويسري دانيال بيرنولي بوضع هذا القانون في القرن الثامن عشر الميلادي. ووفقًا  لعلم ميكانيكا الموائع، فهذا المبدأ ما هو إلا تعبير عن بقاء الطاقة في علم حركة السوائل، حيث ينص مبدأ برينولي Bernoulli’s principle على أن ضغط المائع يقل عندما تزيد السرعة، ويرتفع ضغط السائل كلما انخفضت سرعته.

ستخدم قاعدة بيرنولي عند تصميم أجنحة الطائرات، حيث يصمم الجناح ليكون منحني عند سطحه العلوي بينما يبقى سطحه السفلي مستقيمًا مما يجعل الهواء ينساب على السطح العلوي بسرعة أكبر من انسيابه على السطح السفلي للجناح، وبالتالي يكون ضغط الهواء أقل عند السطح العلوي بينما يزيد ضغط الهواء أسفل الجناح، ويؤدي ذلك إلى رفع الطائرة لأعلى!

حيث أن القوة = المساحة × الضغط

إذًا : ق (الرفع) = مساحة الجناحين × فرق الضغط

وبالعودة لتأثير كواندا، فلأن طبيعة الهواء الأصلية هو الانسياب في خط مستقيم، فإن جزيئات تيار الهواء الأقرب للجزء العلوي المحني من جناح الطائرة المنطلقة على الممر تلتصق به وتتبع انحناءته، بينما تهرب الجزيئات الأبعد فوق الجناح وتتحرك بشكل مستقيم، وهو ما يحدث أيضًا أسفل الجناح لأن هذا الجزء منه مستقيم هو الآخر دون انحناءات مما يجعل جزيئات الهواء مترابطة معًا وتنطلق بشكل مستقيم.

والنتيجة هو أننا سنحصل على نفس العدد من جزيئات الهواء أعلى وأسفل جناح الطائرة؛ لكن أعلى الجناح تتمدد تلك الجزيئات لتغطي مساحة كبيرة مما يخلق ضغطًا منخفضًا، على عكس ما يدور أسفل الجناح. هكذا يندفع الهواء مرتفع الضغط أسفل الطائرة إلى الأعلى و … مرحى! ها هي الطائرة تقلع!

لا تبك على القهوة المسكوبة!

ما دخل كل هذا بالقهوة؟ لابد وأنك خمنت الآن ما يحدث بالضبط! فالقهوة، والشاي واللبن وأي مائع آخر بدرجة لزوجة كافية يخضع نفسه لتأثير كواندا. هل تذكر كيف التصقت جزيئات الهواء بالجزء العلوي المنحني من جناح الطائرة؟ هذا ما يحدث تمامًا مع القهوة عندما تتدفق عبر السطح المحدب السميك لقدح القهوة أو “المج”، حيث تلتصق جزيئات سائل القهوة بسطح الحافة السميكة للقدح وتفضل التدفق مع انحناءته بدلًا من التدفق بخط مستقيم إلى كوب آخر!

كيف تتغلب على تأثير كواندا؟ بأن تشرب القهوة في أكواب زجاجية بحافة رفيعة بالطبع! هكذا لن تجد جزيئات المائع سطحًا منحنيًا وسميكًا بما يكفي للالتصاق به فتتدفق مباشرة دون “تسييل”؛ ولهذا تصنع فوهات زجاجات المياه الغازية والكحوليات وحتى أباريق الشاي والقهوة بحافة مشطوفة مستقيمة غير منحنية.

ليتني قرأت هذا المقال قبل صب القهوة من قدحي إلى كوب اللبن منذ دقائق، لاستطعت حينها توفير الكثير من التوبيخ اللاحق من زوجتي! لكن مهلًا … كيف لي أن أقرأه قبل الحادثة والحادثة نفسها هي سبب كتابة المقال من الأساس؟!

هذا ينقلنا مباشرة إلى مفارقة الجد The Grandfather Paradox الشهيرة المتعلقة بالسفر عبر الزمن، لكن هذا مقال آخر بقصة أخر.

المصدر: عالم الإبداع

The post أسئلة سخيفة بإجابات علمية: لماذا يصعب صب القهوة من القدح دون إراقتها؟ appeared first on المكتبة العامة.

هكذا يمكن لأحدهم أن يشرح لك كيف تكونت المجموعة الشمسية وكيف أن مجرتنا درب التبانة تتكون من النواة أو الحوصلة والأذرع والهالة والقرص وما هي العناصر التي تتولد داخل النجوم، لكنه قد لا يستطيع إجابتك عن أسئلة بسيطة كـ “لماذا تدور الكواكب حول نفسها؟” مثلًا. هذا قالب قرميد آخر لا أهمية له إلا أن تقف عليه كي تتأمل ما وراء السور. لكن هل هذا صحيح حقًا؟!

أعني، هذه معلومة بديهية: “الكواكب تدور حول نفسها.” ولا داعي لأن تصبح مسألة، بل بالأحرى يجب استخدامها كطرف معادلة للوصول إلى نتيجة أكبر! يشبه الأمر أن نسأل “لماذا 1 + 1 = 2”! هذه حقيقة رياضية أساسية للغاية؛ من قد يفكر في إثباتها؟ لكنك قد تندهش متى علمت أن عالم الرياضيات والمفكر الشهير برتراند راسل قد فعلها في الواقع وتطلب الأمر منه أكثر من 350 صفحة من القطع الكبير لإثبات هذه الحقيقية الرياضية “الأساسية” كما نعتقد!

لذا، ما رأيك لو أجبنا عن السؤال البسيط الذي لا تعرف إجابته على الأرجح: لماذا تدور الكواكب حول نفسها؟ لا تقلق، لن يتطلب الأمر كل هذا العدد من الصفحات كما فعل العظيم راسل؛ لكنك في نهاية المقال ستخرج محملًا بأكثر من إجابة هذا السؤال “البسيط”.

قبل أن نغوص بعالم الفلك والأجسام السماوية، فلنتعرف أولًا عن بعض المفاهيم المثيرة للاهتمام حقًا في عالم الفيزياء، ولنبدأ أولًا بالمصطلح الغامض “الزخم”.

الزخم Momentum في الواقع ما هو إلا “قوة الدفع”. تبدو الأمور أسهل بهذا المعنى بعيدًا عن كلمة “الزخم” الغريبة على مسامع الكثيرين مع أنها بالعربية. الزخم ببساطة هو “الكتلة بينما تتحرك” أو “مقدار” الحركة التي يمتلكها جسم؛ هكذا أي جسم يملك كتلة ويتحرك فإن له زخمًا، وهذا يعني أن الأمر سيتطلب قدرًا معينًا من الجهد لإيقافه عن الحركة. على الأرجح قد سمعت كلمة “زخم” كذلك في الأحداث السياسية المتلاحقة لدولة ما أو حتى لوصف الانتصارات المتواصلة لفريق رياضي. زخم يعني استمرار بالحركة بقوة دفع تتطلب قوة أخرى أو جهدًا لإيقافه؛ وإذا أردنا توصيف الأمر رياضيًا فسنجد أنه إذا كان جسم (بكتلة ك) ويتحرك بسرعة معينة (س)، فإنه يملك زخمًا أو قوة دفع تساوي حاصل ضرب الكتلة × السرعة (ك × س). ووفقًا لقانون حفظ القوة، فعندما يتصادم جسم بزخم مع جسم آخر، فإنه يتوقف لأنه ينقل زخمه أو جزء منه إلى الجسم الآخر الذي يكتسب الزخم بدوره وينطلق بشكل خطي أو يمتصه إذا كان أكبر وأثقل. وهذا ما تعنيه القوة في الفيزياء بالأصل … انتقال الزخم من جسم لآخر. بالطريقة تفسها تؤثر اللكمة القوية من قبضتك بفك خصمك، بعدما ينتقل الزخم الذي تحركت به قبضتك في الهواء إلى جسم ترتطم وتطيح به.

والآن فلننتقل إلى نوع آخر من الزخم … الزخم الزاوّي! وكما هو الحال مع الزخم الخطي، فالزخم الزاوي Angular Momentum هو “مقدار الحركة” التي يجمعها جسم ما بينما يدور حول نفسه أو حول محور قد يمر أو لا يمر بالجسم نفسه. هذا التعريف أو الفهم للزخم الزاوي تغير بشكل كبير وصار أكثر تعقيدًا في الفيزياء الكمية عنه في الفيزياء الكلاسيكية؛ لكن التعريف السابق يبقى صالحًا كأساس للزخم الزاوي.

وكما يحدث مع الزخم الخطي، فالزخم الزاوي يمكن حفظه، أو نقله لجسم آخر. فكروا بما يحدث عندما تقومون بنقف عملة معدنية بإصبعكم لجعلها تدور حول نفسها. وهنا، لا تكتسب العملة زخمًا زاويًا من مجرد “الدوران” حول نفسها، بل من نقفة إصبعك على طرف العملة! إصبعك نفسه هو ما كان يملك زخمًا زاويًا بينما ينطلق في المسافة بينه وبين العملة، وعند الاصطدام ينتقل بعض من زخم الإصبع الزاوي إلى القطعة المعدنية الصغيرة فتبدأ في الدوران حول نفسها! وبالطبع، ينتقل جزء من زخم إصبعك الخطي كذلك إلى العملة، لهذا تنطلق إلى الأعلى بخط رأسي مستقيم.

لكن وفقًا لقانون حفظ الطاقة الذي ينص على أن “كمية الطاقة الكلية في نظام مغلق لا تتغير”، فإنه يتوجب أن تدور هذه العملة إلى الأبد حول نفسها وأن تنطلق إلى الأعلى ولا تتوقف. لماذا لا تفعل هذا؟ لأنها ليست بنظام “مغلق”! النظام المغلق هو نظام لا يتبادل طاقة أو بيانات أو مادة أو تأثير مع الوسط المحيط؛ وهذا لا يتوفر في الواقع إلا في الفضاء الخارجي. على الأرض هنا وحيث تنقف عملة بإصبعك، ستحتك العملة بالهواء الذي سيستنزف الزخم بالعملة مع الوقت بانتقاله إليه، مما يبطيء من دوران العملة واندفاعها تدريجيًا بالإضافة إلى قوة سحب الجاذبية على العملة نفسها. لهذا، إذا ما استطعت نقف عملة في الفضاء، فستدور هذه العملة إلى الأبد نظريًا، وستنطلق إلى ما لا نهاية بالفضاء إلى أن تصطدم بقوة أخرى ككويكب صغير بلا جاذبية أو فتات مبعثر ما.

هل لا زلت معي حتى هذه اللحظة؟ عظيم! فلنطبق كل هذا على حركة الكواكب!

لماذا تدور الكواكب حول نفسها؟

يتعلق الأمر بكل ما سبق مع الطريقة والوقت الذي ولدت به النجوم والكواكب. بشكل أساسي تتكون النجوم والكواكب مع انهيار سحب مهولة من الغاز والغبار الكوني تسمى السحب بين النجمية Interstellar Clouds. تتميز العناصر التي تتكون منها هذه السحب بأنها في حركة مستمرة لا تهدأ بينما تتحرك السحب نفسها وهو تدور حول مركز المجرات بتأثير من جاذبيتها.

كنتيجة لهذه الحركة، تكتسب هذه السحب دورانا بسيطًا حول نفسها، وهذا الدوران يمكن وصفه بأنه “زخم زاوي”، أي مقدار معين من الحركة المحفوظة التي لا يمكن أن تتغير. حالما تبدأ هذه السحب العملاقة في الانهيار، فإنها تنقسم إلى أجزاء أصغر تبدأ هي الأخرى في الانهيار على نفسها بشكل مستقل عن بعضها، وحينها يحمل كل منها جزء من الزخم الزاوي الأصلي الذي كان للسحابة بين النجمية. لقد تحولت السحابة إلى ما يعرف بالنجم الأوّلى Protostellar Disk ومنه ستتولد النجوم وكواكبها لاحقًا من عناصر ما يعرف بالفرص المزود Accretion Disc الذي يحيط بالنجم الأولي. هنا، وبشكل غامض غير مفهوم تمامًا بعد للعلماء، ينتقل الزخم الزاوي إلى الكواكب والنجوم … لقد تم حفظ حركة الزخم بامتياز. لهذا تدور الكواكب وتدور النجوم حول نفسها بينما تنطلق مع كل شيء آخر في الفضاء لتدور حول مركز المجرة ومع المجرة نفسها حول مركز الكون الغامض!

في مجموعتنا الشمسية الصغيرة، تدور الكواكب الغازية (المشترى، وزحل، وأورانوس، ونبتون) بشكل أسرع حول محورها قياسًا بالكواكب الداخلية الأخرى كونها تحتفظ بقدر أكبر من الزخم الزاوي للنظام. الشمس نفسها تدور حول نفسها ببطء مرة كل شهر، بينما تدور الكواكب جميعها حول الشمس. المثير للدهشة هنا هو أن جميع كواكب مجموعتنا الشمسية تدور حول نفسها بالاتجاه ذاته (عكس عقارب الساعة أو من الغرب إلى الشرق عند الرصد من الأرض) ما عدا كوكبي الزهرة وأورانوس، بالإضافة إلى بلوتو إذا اعتبرناه كوكبًا ضمن مجموعتنا الشمسية. ويعزي العلماء هذا الاختلاف في اتجاه الدوران إلى حوادث التصادم التي حدثت متأخرًا بعد تكوين الكواكب.

في النهاية، يجب أن تفخروا بأنفسكم حقًا أن تابعتم القراءة حتى هذه السطور! الآن تعلمون جيدًا لماذا تدور الكواكب حول نفسها، وتعلمون كذلك أن ما كان يبدو كقالب قرميد مُصمت تقفون فوقه للتطلع إلى ما وراء السور هو جدير بالتأمل حقًا، بعدما اتضح أنه يضم لمحات مهمة من نشأة الكون نفسها!

المصدر: عالم الإبداع

The post هل تعرف لماذا تدور الكواكب حول نفسها؟ appeared first on المكتبة العامة.