لماذا نسمع دوياً عند اختراق حاجز الصوت ؟

لماذا نسمع دوياً عند اختراق حاجز الصوت Sonic Boom ؟

ربما شاهدت الصورة الشهيرة لطائرة وهي تخترق حاجز الصوت.

حاجز الصوت هو حد فيزيائي يمنع الأجسام الكبيرة من تجاوز سرعة الصوت.

لكن، ما الذي يحدث عندما نتجاوزه؟

عندما نتجاوز حاجز الصوت فإن موجة صدمة ( Shock Wave ) تحدث ويُسمع صوت دوي هائل كالانفجار، هذا الدوي يحمل طاقة صوتية هائلة.

عندما يتحرك جسم ما عبر الهواء فإنه يشكل موجة ضغط  Pressure wave أمامه وخلفه ( موجة تضغط جزيئات الهواء وتقربها من بعضها ).

هل شاهدت يوماً ما قارباً متحركاً؟ مقدمة القارب تشكل موجة ( تشبه القوس ) بينما مؤخرة القارب تشكل موجة أخرى ( تسمى موجة الظهر ). هذه الموجات تشبه الموجات اللامرئية التي تشكلها الأجسام عندما تتحرك في الهواء.

تتحرك موجات الضغط بسرعة الصوت، وهي سرعة كبيرة للغاية، وعلى الرغم من أن سرعة الصوت تعتمد على نوع المادة التي ينتقل خلالها الصوت، فهي أيضاً تتغير بتغير درجة الحرارة والأرتفاع.

تكون سرعة الصوت غالباً قريبة من 761ميل/ساعة، ولكن لو ارتفعت الطائرة حتى 20000 قدم مثلاً يصبح الهواء أبرد وأقل كثافة مما يجعل سرعة الصوت تنخفض حتى 660ميل/ ساعة.

كلما تحركت الطائرة بشكل أسرع قلت قدرة موجات الضغط على مجاراة سرعتها، مما يجعلها ( تتراكب ) وتتراكم خلف الطائرة وتنضغط مكونة موجة واحدة؛ موجة صدمة تحدث عند حد سرعة الصوت.

عادة اذا تجاوزت الطائرة سرعة الصوت فإن الدوي الناتج عن اختراق حاجز الصوت Sonic Boom يكون

(مزدوجاً ). الدوي الأول ينتج عن تغيّر ضغط الهواء عند مقدمة الطائرة عندما تصل الطائرة إلى سرعة ( سرعة الصوت = 1 Mach ). والدوي الثاني ينتج عند تغيّر الضغط عند ذيل الطائرة وعودته إلى الوضع الطبيعي.

واذا استمرت الطائرة في مضاعفة سرعتها فإن دوياً مستمراً يُسمع أثناء طيرانها وهو ما يسمى سجادة الدوي ( Boom Carpet ).

لو كنت تتساءل كيف يحتمل قائد الطائرة والركاب مثل هذا الدوي الهائل، فإن الاجابة ببساطة هي أنهم لا يسمعونه اصلاً؛ انهم يستطيعون رؤية موجة الضغط على جناح الطائرة، لكن هذا الدوي يشبه الموجة التي تتكون خلف القارب؛ أي أن الهدير يسمع خلف الطائرة.

لماذا يوجد فتحتان في غطاء كأس القهوة ؟

لماذا يوجد فتحتان في غطاء كأس القهوة ؟

هل لاحظت يوماً عندما اشتريت كأس قهوتك الساخنة المعتاد، أو حتى علبة المشروب الغازي الورقية أن هناك فتحة صغيرة للغاية أعلى الفتحة التي توضع فيها الماصة؟

ما العلم وراء ذلك؟

سبب وضع هذه الفتحة هو نفس السبب الذي جعل أمهاتنا يفتحون فتحتين في صفيحة الزيت قبل صبه، بسلاسة!. وهو نفس السبب الذي يجعل الماء يخرج على دفعات متناثراً اذا أملت العلبة كثيراً بحيث يغطي الماء الفتحة كلها فتسمع صوت ( جلوب جلوب ) المميز!، بينما يمكنك تلافي هذا ( السبلاش )اذا أملت العلبة قليلاً سامحاً لبعض الهواء بأن يدخل.

ماذا يعني كل هذا؟

في كل علبة تحوي سائلاً ما هناك فراغ في الأعلى يحتوي، هواءً بالطبع. وإذا كان هناك هواء فإن هناك ضغطاً بالتأكيد. عندما تميل العلبة كثيراً بحيث يغطي السائل كل الفتحة فإنه يخرج على شكل دفعات كبيرة، وفي لحظة ما يصبح ضغط الهواء الجوي خارج العلبة أكبر من الضفط داخلها مما يمنع السائل من الخروج، لذا يتوقف التدفق قسراً فلا يستطيع السائل الخروج، وهذا التوقف يسمح للهواء بالدخول لشغل

الحيز الذي تركه الماء وراءه فيرتفع الضفط ويعود التدفق، ويكون هذا التدفق على شكل دفقات قوية كبيرة متتابعة محدثاً الكثير من الرذاذ والانتشار.

لكنك إذا أملت العلبة قليلاً بحيث لا تغلقها تماماً بالسائل، فإن هذا يسمح للهواء بالدخول بحرية إلى الوعاء وهذا يجنبك انفجار الرذاذ المتناثر هذا.

هل تتخيل القهوة في الكوب اذا سكبت وهي تتناثر هنا وهناك بسبب عدم قدرة الهواء على الدخول إلى العلبة؟ ان حروقاً عميقة قد تحدث، لذا، صنعت هذه الفتحة الصغيرة لهدفين، الأول للسماح للهواء بالدخول فتخرج القهوة بانسيابية وسلاسة، والهدف الثاني هو السماح للبخار بالخروج فلا يذوب الغطاء بفعل درجة الحرارة المرتفعة للغاية.

وتصنع الفتحة بحيث تكون صغيرة للغاية وهذا حتى يكون التوتر السطحي للسائل في الداخل كبيراً وهذا يمنع دخول فقاعة من الهواء عندما يُدخل الشخص الماصة من الفتحة الأساسية.

ظاهرة فيزيائية جديدة تحرّك الاليكترونات إلى سرعات لا يمكن تصديقها

ظاهرة فيزيائية جديدة تحرّك الاليكترونات إلى سرعات لا يمكن تصديقها

 

تخيل أنك تحاول دفع 50 شخص خلال الباب في الوقت نفسه. إن ضغط تجمعهم ومحاولتهم الخروج معاً سيبطيء كل فرد منهم.

هل هناك طريقة تجعلهم يخرجون معاً، وبسرعة تفوق سرعة خروج الشخص الواحد؟

قد يبدو هذا جنونياً، لكن وجد العلماء طريقة تجعل الاليكترونات وتحت ظروف خاصة تنضغط معاً وتمر عبر مساحة ضيقة بسرعة تتجاوز الحدود الفيزيائية المعروفة.

(حد مقذوفات لاندور)

أطلق العلماء على هذه الظاهرة تدفق المقذوفات الفائق Superballistic Flow ، وفيها أن مجموعة من الإليكترونات بإمكانها الانتقال في مساحة ضيقة اسرع من انتقال اليكترون منفرد وتقريباً بلا مقاومة.

وهذا شيء ضخم، فكرة هائلة، لأنه من الممكن أن يحصل عند درجات حرارة معتادة - درجة حرارة الغرفة - بينما المواد فائقة الموصلية التي تنتقل فيها الاليكترونات بلا مقاومة لا تحدث إلا عند درجات حرارة منخفضة جداً ( -217°س أو -450° ف).

تبين أن مجموعة الإليكترونات هذه بإمكانها تعديل ( احداثياتها ) واتجاه حركتها وموقعها بطريقة تجعل منها ما يشبه التيار الذي تتجاوز سرعته سرعة الإليكترون المحددة والمتعارف عليها بحد مقذوفات لاندور Landauer's ballistic Limit.

لتوضيح هذه الفكرة علينا ان نتذكر سلوك جسيمات الغاز في وعاء. فبسبب صغر حجم الجسيمات - على المستوى الذري - وعشوائية حركتها فإن احتمال اصطدامها ببعضها أقل من احتمالية اصطدامها بالوعاء الذي يحويها، ومع كل اصطدام بالوعاء فإنها تفقد جزءاً من طاقتها مما يقلل سرعتها ويبطئ مرورها.

لكن، لو جعلنا حجم الجسيمات أكبر - المستوى الجزيئي مثلاً - فإن احتمال اصطدامها ببعضها أكبر من احتمال اصطدامها بجدران الوعاء. ولأن النظام الداخلي محافظ، فهذا يعني أن مجموع طاقة الجزيئات الداخلي ثابت، أي أنها لا تخسر طاقتها حتى مع الاصطدام. وهذا يعني أن الجزيئات ككل تصل إلى مستويات طاقة لا يصلها الجزيء المنفرد.

حاول العلماء تطبيق هذا المبدأ على اليكترونات مادة الجرافين، ووجدوا أن الاليكترونات قد تحركت معاً باحداثيات محددة وعلى شكل تيار، وبسبب حفاظها على طاقتها مجتمعة فإنها تجاوزت حد السرعة المتعارف عليه للإليكترونات إلى أفق أكبر.

عندما قلت المقاومة - نتيجة لتأثير تيار الإليكترونات قل زخم الحركة مما جعل السرعة تزداد.

يعتقد العلماء أن بمقدورهم ونتيجة لهذه الظاهرة تصميم أجهزة اليكترونية تنتج طاقة أكبر مما تأخذ.

لماذا يُمنع وضع المواد المعدنية داخل أفران الميكروويف؟

لماذا يُمنع وضع المواد المعدنية داخل أفران الميكروويف؟

من منا لا يعرف الميكروويف. ذلك الجهاز الذي يوجد في أغلب البيوت، ويستخدم لتسخين الطعام بسرعة فائقة.

وبغض النظر عن فوائده ومضاره، فإن كنت ممن يستعملونه فإنك تتذكر التحذير الأهم الذي جاء معه قبل الاستخدام : لا تضع مواد معدنية داخل الميكروويف، ابداً.

لكن، لمـــــــــاذا؟

الغريب في هذا التحذير هو أنك لو نظرت إلى داخل الميكروويف لوجدت أن جدرانه مصنوعة من المعدن، وهناك ما يشبه الشبكة المعدنية أيضاً.

اذن، لماذا لا يمكننا وضع مادة معدنية داخله؟

كما نعلم جميعاً، تعتبر أشعة الميكروويف جزءاً من الطيف الكهرومغناطيسي يتم توليدها عن طريق ما يسمى المغنطرون Magnetron، وهو أنبوب تتحرك فيه اليكترونات يتم التحكم فيها عن طريق مجال مغناطيسي خارجي فتتولد موجات ميكروويف.

تُصنع جدران الميكروويف من المعدن لأغراض السلامة؛ حيث تعمل كسطح عاكس يمنع موجات الميكروويف من الخروج و ( طبخ ) أي شيء يقع أمامها، حتى أنت!.

تعكس الجدران أشعة الميكروويف وتركزها في نقطة معينة ( مكان وضع الطعام ). تمتص جزيئات الماء والدهون موجات الميكروويف التي تمنحها الطاقة، تتحول الأخيرة إلى طاقة حركية تزيد من سرعة جزيئات الماء والدهون مما يولد طاقة حرارية تطبخ الطعام كله بكفاءة وسرعة.

المغنطرون

تعد المواد المعدنية مثل الملاعق والشوك وغيرها مواداً موصلة للكهرباء بسبب احتوائها على اليكترونات حرة الحركة بالطبع. عندما تسقط أشعة الميكروويف على هذه المواد فإنها تنعكس عنها مسببة أضراراً.

عندما لا يوجد مادة كافية لامتصاص الموجات المنعكسة فإن تفريغاً قد يحدث بين المادة المعدنية واجزاء الميكروويف الأخرى، وهذا ما يشبه ضربة برق مصغرة. قد يتسبب هذا في أضرار هائلة، مثل اشعال النار في الفرن، حرق جدرانه، تدمير المغنطرون او احتراق الاليكترونيات الحساسة في الداخل.

لماذا لا نشعر بدوران الأرض؟

لماذا لا نشعر بدوران الأرض؟

بالتأكيد خرجت يوماً ما في رحلة في الهواء الطلق : أن تفرد الغطاء وتتناول الطعام مع الأهل والأصدقاء ثم تريح ظهرك على الأرض لتشاهد غيوم السماء، وربما نجومها.

قد يتبادر إلى اذهاننا أن الأرض ساكنة نتيجة لانعدام احساسنا بحركتها، لكن الأمر ليس كذلك.

كرتنا الأرضية - والتي كانت عبارة عن غبار وغاز كوني استمر في الدوران حول مركزه حتى تكاثف وتصلب وبرُد. هذه الكرة المغطاة الآن بالصخور والرمال والماء لا تتوقف عن الحركة. انها تدور حول نفسها، وتدور حول الشمس وبسرعة ثابتة، ومع كل ذلك فإننا لا نشعر بها.

لكن، لماذا؟

هل حواسنا البشرية غير قادرة على التقاط حركة مثل هذه الحركة الدورانية؟ أم ربما لأن سرعة دوران الأرض ليست بالقدر الكافي الذي يمكننا من الشعور بها، خاصة مع حجمنا الصغير مقارنة مع حجم الكرة الأرضية الهائل؟

لا…….

أرضنا تدور بسرعة كافية لتجعل البشر يشعرون بها - تقريباً سرعة سفينة الملاهي الدوارة! - ناهيك أن حواسنا البشرية قادرة قطعاً على التقاط سرعة دوران مماثلة.

اذن، ما الذي يحدث؟

هناك عدة أسباب تفسر هذا…

في البداية علينا أن نعرف أن كل شيء يدور في هذا الكون، الأرض والكواكب والشمس والنجوم وحتى المجرات، وهناك نوع من الدوران يطلق عليه علمياً الغزل (  دوران الجسم حول محوره Spin ).

معدل غزل الأرض هو 1609كم/ساعة، وهذا سريع!، بل سريع للغايــــــة!.

وعلى الرغم من هذه السرعة فإننا لا نشعر بها.

السبب الرئيسي هو أننا - بالإضافة إلى كل شيء على سطح هذه الأرض - نتحرك معها وندور بنفس السرعة. والسبب الثاني هو طبيعة حركة الأرض الناعمة والسلسة.

لو كنت في سيارة على الطريق السريع، فإنك ستكسب نفس سرعتها - إذا كنت تركب سيارة

تسير بسرعة 80كم/ساعة فهذا يعني ضمناً أن كل ركاب السيارة يتحركون بنفس السرعة، معها - .

وإذا كانت حركة السيارة سلسلة - بلا عوائق ولا مطبات ولا عقبات على الطريق - فإنك لن تشعر بها وهي تتحرك. ستشعر بها فقط أن اسرعت او ابطأت او واجهت عقبة او تعرضت لعائق ما.

ولأن الأرض لا تسرع ولا تبطىء ولا يعيق حركتها شيء فإننا لا نشعر بها، مطلقاً.

لماذا نرش الملح أو الرمل على الطرقات في فصل الشتاء؟

لماذا نرش الملح أو الرمل على الطرقات في فصل الشتاء؟

بالتأكيد شاهدت أو سمعت أن المناطق الباردة التي يمتاز شتاؤها بثلجه وصقيعه الغزيرين ترش الطرقات بالملح أو الرمل لتجنب الحوادث.

لكن، لماذا؟ ما الذي يفعله الرمل أو الملح لمنع ذلك؟

كلنا يعلم أن جزئيات الماء في حالتها السائلة تكون حرة وسريعة الحركة مما يساعدها على أخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه. وكلما انخفضت درجة الحرارة فإن حركة الجزيئات تصبح ابطأ فأبطأ بسبب انخفاض طاقتها وتتقارب من بعضها في عملية تسمى التجمد.

عندما نضيف الملح إلى الثلج فإن جزيئات الماء السائلة الموجودة على السطح والتي لم تتجمد بعد تذيب جزءاً من الملح فيتكون ما ندعوه بالمحلول الملحي ( Brine ). يمنع المحلول الملحي هذا جزيئات الماء من التجمد.

وكلما ازدادت سرعة بعض جزيئات الماء وتحررت من وضع التجمد ذاب المزيد من الملح فيها مما يمنع تجمدها مرة أخرى.

لماذا يحدث ذلك؟

يعمل الملح على خفض درجة انجماد الماء. يتجمد الماء عند درجة الصفر المئوي،وبإضافة الملح فإن درجة الانجماد تقل. فلو أنك أضفت ما نسبته 10% من المحلول الملحي إلى الماء فإن درجة الانجماد تنخفض إلى -6.7 درجة مئوية بدلاً من الصفر.

تستطيع رؤية هذا عملياً في فصل الشتاء أمام منزلك. انثر بعض الملح على الممر المغطى بالثلج، وسترى ان الثلج بدأ بالانصهار حالاً. وبعدما ينصهر الثلج بالكامل ويبقى الملح تساهم حبيباته في زيادة الاحتكاك مما يجعل الحركة أكثر سهولة وأماناً.

ولسوء الحظ، إذا انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون العشرة تحت الصفر فإن الملح لا يستطيع اداء المهمة لوحده؛ يحتاج الملح إلى الماء ليبدأ عمله. حيث ان تجمد الثلج بالكامل في درجات الحرارة المنخفضة هذا يمنع الملح من الذوبان والتحول إلى محلول ملحي. وهنا يلجأ العمال إلى الرمل.

لكن هذا لا يعني أن الرمل يؤدي نفس مهمة الملح. كل ما يفعله الرمل هو زيادة الاحتكاك، حيث تعمل بلورات الملح على الاحتكاك وبقوة مع اطارات السيارات مما يمنعها من الانزلاق على الطرقات ويجعل القيادة اكثر أمناً.

وبإمكان الرمل منع تكوّن المزيد من الجليد على الطرقات؛ حيث تتسبب حركة بلورات الرمال المستمرة نتيجة حركة السيارات او حتى الهواء على منع جزيئات الماء من التقارب والوصول إلى وضع الانجماد.

وعلى الرغم من أن الرمل ليس له القدرة على منع الانجماد بشكل تام إلا أنه يؤخره ويجعل تكونه امراً أصعب من المعتاد.

 

لماذا تبدو الأشياء أصغر كلما ابتعدنا عنها؟

لماذا تبدو الأشياء أصغر كلما ابتعدنا عنها؟

بالتأكيد لاحظت هذه الملاحظة : ترى مبناً من بعيد فتحسبه صغيراً، لكنك كلما اقتربت منه اكتشفت ان حجمه يزداد، والعكس صحيح قطعاً.

فعلياً، حجم الأشياء لا يتغير، لكن لماذا تختلف رؤيتنا له باختلاف بعدنا عنه؟

تعتمد الإجابة على عدة عوامل منها : منظور الشخص الرائي، والنسبة بين حجم الشيء الحقيقي وحجمه الظاهري.

تحدث هذه الظاهرة بسبب آلية رؤية العين للأشياء وكيف تنعكس أشعة الضوء عن الأجسام باتجاه أعيننا.

على سبيل المثال : لو كنا نتحدث عن مبنى مدرستك الابتدائية، فإن حجمها الأصلي يمكن حسابه بالأمتار - وهو لا يتغير طبعاً - بينما الحجم الظاهري يعتمد على زاوية رؤيتنا للمبنى، وهذا يمكن قياسه بالدرجات.

تُحسب زاوية الرؤية هذه بأنها رأس المثلث؛ حيث تكون العين في رأس المثلث، وقاعدة المثلث هي

نهايات الجسم المراد رؤيته.

كلما اقتربنا من الجسم فإن الزاوية هذه تزداد،لذا يبدو الجسم أكبر، وكلما ابتعدنا فإن الزاوية تقل مما يجعل الأشياء تبدو أصغر فأصغر.

رياضياً، فإن الارتفاع الظاهري للجسم يتناسب عكسياً مع بعد الناظر اليه. وكما في المعادلة المعروفة

الارتفاع الظاهري = الارتفاع الحقيقي/المسافة. أي انه كلما ازدادت المسافة ( ابتعدنا عن الجسم المراد رؤيته ) قل الارتفاع الظاهري للجسم.

وربما تذكرت كلمة التحذير المكتوبة على مرايا السيارات الجانبية : (الأجسام في المرآة تبدو أبعد مما هي عليه في الواقع ).

يعود هذا إلى أن مرايا السيارات الجانبية هي مرايا محدبة، وهي مرايا لها القدرة على ( ضغط الأجسام)؛ أي جعلها تبدو اصغر وابعد وهذا لمنح السائق مدى رؤية اوسع.

وعلى الرغم من ان الصور تبدو اقرب مما هي عليه، إلا انها تسمح للسائق بمدى رؤية اكبر. ولأسباب تتعلق بالأمان فان ترى اكثر، يعتبر أفضل بالتأكيد.

لماذا يوجد ثقب في نوافذ الطائرات ؟

لماذا يوجد ثقب في نوافذ الطائرات ؟

كلما ارتفعنا قل الاوكسجين وانخفض الضغط الجوي وازدادت صعوبة التنفس. هذه قاعدة يعرفها الجميع كما نعلم. لا حاجة لأن تكون مهندساً لتستنتج أن الطائرة معدة بطريقة لا تجعلك تشعر بانخفاض الضغط الجوي الهائل عند الارتفاع إلى ما يقارب 11 ألف متر فوق سطح البحر.

لكن، لماذا ذلك الثقب الصغير في نوافذ الطائرات؟ بالتأكيد سيتسبب الثقب في اختلاف في الضغط كما لا بد أنك تعتقد. في الحقيقة الأمر اعمق من هذا.

في الواقع تسمى هذه الثقوب بفتحات النزيف Bleed Holes وهي تقع في اللوح الوسطي من النافذة، وهذا يعني أنك عندما تنظر إلى الخارج فإنك تنظر عبر نافذة مكونة من 3 ألواح معاً.

اللوح الأول هو اللوح الداخلي المواجه لك، يسمى Scratch Pane، اللوح الوسطي وهو اللوح الذي يحوي الثقب، واللوح الخارجي - الاهم - الذي يحمينا من فرق الضغط الخارجي والداخلي.

عندما تركب الطائرة وحتى لا تشعر بفرق الضغط الجوي - والذي بإمكانه أن يضايقك حقاً - يقوم نظام الطائرة بضخ الهواء عبر مكيفاتها إلى قمرة الركاب لخلق ضغط جوي مقارب للضغط الذي اعتدنا عليه، وهذا يحمينا من الحالة المسماة Hypoxia وهي الحالة التي تصيب الانسان نتيجة نقص الاوكسجين.

لكن، مع الارتفاع أكثر وأكثر فإن الهواء خارج الطيارة يقل بشكل كبير مما يجعل الضغط الجوي في الخارج قليلاً جداً مقارنة مع الضغط الداخلي.

هذا يعني أن الهواء داخل كابينة الركاب - واستناداً لقوانين الفيزياء - يحاول جاهداً الخروج من الكابينة باتجاه الخارج وذلك لموازنة الضغط بين الداخل والخارج.

هنا يأتي دور ثقوب النزف هذه. تعمل هذه الثقوب على اختزال الضغط الواقع على اللوح الوسطي مما يجعل اللوح الخارجي - الاكثر قوة ومقاومة - يحتمل الجزء الاكبر من الضغط عليه.

هذا يعني أنه اذا انكسر اللوح الخارجي لسبب أو لآخر فإن اللوح الوسطي سيحتمل فرق الضغط، صحيح أنه مثقوب لكن تأثير هذا الثقب ليس بالأمر الذي لا يستطيع نظام الطائرة التعامل معه.

وهناك أهمية أخرى لهذا الثقب وهي منع زجاج النافذة من أن يتضبب - يكسوه الضباب - نتيجة لفرق درجات الحرارة داخلها وخارجها.