الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
14الصلب والسائل والغاز
حجر، وكأس حليب، والهواء في بالون: ثلاثة أصناف من المادة تتصرّف بثلاث طرائق مختلفة اختلافًا تامًّا. في السنة الماضية أرانا الماء حالاته الثلاث؛ وهذه السنة نكتشف أن كل شيء في واحدة من هذه الحالات الثلاث — ولكل حالة قواعد صارمة.
14.1 عائلات المادة الثلاث
يمكن تصنيف كل مادة في العالم في ثلاث عائلات تُسمّى الحالات الثلاث: صلبة كالحجر، وسائلة كالحليب، وغازية كالهواء. وكان الثلج والماء والبخار مثالنا الأول: مادة واحدة تزور العائلات الثلاث. فهيا نتعلّم قواعد كل عائلة.
14.2 الأجسام الصلبة تحفظ شكلها
تعريف 14.1 (الجسم الصلب)
الجسم الصلب مادة تحفظ شكلها الخاص. فالمفتاح يحفظ تعرّجه في جيبك، وفي درج، وتحت الماء. وتستطيع أن تمسك جسمًا صلبًا بين إصبعين، ولا يغيّر تحريكه هيئته. وبعض الأجسام الصلبة قاسية (الحجر)، وبعضها طرية (الخبز)، وبعضها لدنة (الشريط المطّاطي) — لكن كلًّا منها، إذا تُرك وشأنه، يحفظ شكله.
مثال 14.2 (جسم صلب من حبيبات)
يبدو الرمل خارقًا للقاعدة: فهو حين يُسكب من دلو يأخذ شكل كومته، كأنه سائل تقريبًا. لكن انظر عن قرب: الرمل حشد من حبيبات صلبة دقيقة، وكل حبيبة تحفظ شكلها حفظًا تامًّا. والطحين والسكّر والأرزّ تصنع الحيلة نفسها — حشود من أجسام صلبة صغيرة تجري معًا وكل فرد منها يبقى صلبًا.
14.3 السوائل تجري — لكنها تحفظ كمّيتها
تعريف 14.3 (السائل)
السائل مادة تجري: لا شكل خاصّ به، ويأخذ شكل الإناء الذي يحمله كائنًا ما كان. لكن السائل يحفظ كمّيته: اسكب كأسًا ممتلئة من الحليب في وعاء فتبقى كمّية الحليب هي هي — لا قطرة أكثر ولا أقلّ، وإنما شكل جديد.
قضية 14.4 (سطح السائل الساكن مستوٍ)
سطح السائل الساكن مستوٍ أفقيّ دائمًا — موازٍ للأرض. أمِل القنّينة: لا يميل الماء الذي فيها معها؛ بل يبقى سطحه أفقيًّا والقنّينة مائلة.
مثال 14.5 (الاستواء في العمل)
يستعمل البنّاؤون هذا القانون كل يوم: فميزان الماء عندهم نافذة صغيرة من سائل فيها فقاعة واحدة؛ فإذا استقرّت الفقاعة بين علامتيها كان الرفّ مستويًا استواء السائل الذي في داخله. وعند الفطور، راقب العصير في علبة مائلة: مهما أملتها بقي السطح في الداخل مستويًا أفقيًّا — حتى يجد الفوهة.
14.4 الغازات تملأ كل شيء
تعريف 14.6 (الغاز)
الغاز مادة تنتشر حتى تملأ كل الحيّز الذي يُعطى لها. والهواء غاز: ضعه في قنّينة يملأ القنّينة إلى كل ركن منها؛ وافتح القنّينة في غرفة أكبر فينتشر فيها أيضًا. فليس للغاز شكل خاصّ به ولا موضع خاصّ يستقرّ فيه — اعرض عليه حيّزًا أكبر يأخذه كله.
مثال 14.7 (العطر المسافر)
يفتح أحدهم قارورة عطر في طرف من الغرفة. وبعد لحظة تنتبه إليه الأنوف في الطرف الآخر. لم يبقَ غاز العطر مؤدَّبًا قرب قارورته: بل انتشر حين أُطلق في هواء الغرفة كله، من ركن إلى ركن — وهذا بالضبط ما تفعله عائلة الغازات دائمًا.
ملاحظة 14.8 (تصنيف الحالات الملتبسة)
بعض المواد تحتاج إلى عين متأنّية. فالعسل يجري — ببطء، لكنه يجري، ويأخذ شكل إنائه، ويحفظ كمّيته: فهو سائل، ولكنه كسول. ومعجون الأسنان والكتشب يجريان حين يُعصران: سائلان ثخينان. والإسفنجة جسم صلب مليء بثقوب فيها هواء. وأما الدخان؟ فذرّات صلبة دقيقة تركب غازًا ساخنًا. وعند الشكّ، اطرح أسئلة العائلة: أيحفظ شكله؟ أيجري؟ أيملأ كل الحيّز الذي يناله؟
14.5 تمارين
تمرين 14.1 ★
صنّف في العائلات الثلاث: قطعة نقود؛ عصير برتقال؛ الهواء في إطار سيارة؛ خرزة خشبية؛ زيت؛ بخار الماء الغازي فوق الفجوة الصافية في قِدر غالٍ.
حل
حل التمرين 14.1.
الأجسام الصلبة: قطعة النقود، والخرزة الخشبية. والسوائل: عصير البرتقال، والزيت. والغازات: الهواء في الإطار، وبخار الماء الخفيّ في الفجوة الصافية.
تمرين 14.2 ★
ما الذي يحفظه الجسم الصلب ولا يحفظه السائل؟ وما الذي يحفظه السائل حين يُسكب من كأس إلى وعاء؟
حل
حل التمرين 14.2.
الجسم الصلب يحفظ شكله الخاص؛ والسائل لا يحفظه. وحين يُسكب من كأس إلى وعاء يحفظ السائل كمّيته.
تمرين 14.3 ★
سُكبت قنّينة ليموناضة ممتلئة في وعاء سلطة عريض. أصار عندنا ليموناضة أكثر أم أقلّ أم الكمّية نفسها؟ وما الذي تغيّر؟
حل
حل التمرين 14.3.
الكمّية نفسها — ولم يتغيّر إلا الشكل، من شكل القنّينة إلى شكل الوعاء العريض.
تمرين 14.4 ★
ارسم حوض سمك نصفه ماء: أولًا واقفًا مستويًا، ثم مائلًا على حافة. ارسم سطح الماء في الحالتين — في أيّ اتجاه يستوي؟
حل
حل التمرين 14.4.
في الرسمين كليهما يستوي سطح الماء أفقيًّا موازيًا للأرض — ففي الحوض المائل لا يميل السطح مع الزجاج؛ وإنما يتجمّع الماء في الجهة المنخفضة.
تمرين 14.5 ★
كيف يخبر ميزان الماء عند البنّاء بأن الرفّ مستوٍ؟ وأيّ قانون من قوانين هذا الفصل يستعمله؟
تمرين 14.6 ★
لماذا تبلغ رائحة الفطائر غرفة نومك في الأعلى؟ أيّ عائلة تعمل هنا، وما قاعدتها؟
تمرين 14.7 ★
الرمل يُسكب كالسائل، ومع ذلك نسمّيه صلبًا. اشرح ذلك مستعينًا بما في المثال 14.2.
حل
حل التمرين 14.7.
الرمل حشد من حبيبات صلبة دقيقة. والحشد يجري ويأخذ شكل كومته، لكن كل حبيبة تحفظ شكلها الخاص حفظًا تامًّا — فكل حبيبة جسم صلب حقيقي.
تمرين 14.8 ★
يحتاج العسل إلى دقيقة كاملة لينساب عن الملعقة. أصلب هو أم سائل؟ اطرح أسئلة العائلة في الملاحظة 14.8 وأجب.
تمرين 14.9 ★
أيّ عائلة: تحفظ شكلها الخاص؟ تأخذ شكل إنائها وتحفظ كمّيتها؟ تأخذ كل الحيّز الذي تناله؟ أعطِ فردًا من كل عائلة تجده في مطبخك.
حل
حل التمرين 14.9.
يحفظ شكله: الجسم الصلب (ملعقة). ويأخذ شكل إنائه ويحفظ كمّيته: السائل (حليب). ويأخذ كل الحيّز: الغاز (الهواء في المطبخ).
تمرين 14.10 ★★
مكعّب ثلج (صلب) ينصهر ماءً (سائلًا)، فتجفّفه شمس الصيف ماءً طائرًا لا يُرى (غازًا). أيّ قاعدة عائلية تنكسر في كل خطوة: ما الذي تكفّ المادة عن حفظه حين ينصهر الثلج؟ وحين يتبخّر الماء؟
تمرين 14.11 ★★
نُفخ بالون وعُقد. تقول ميرا إن الهواء في داخله “على شكل البالون، إذن للغاز شكل”. اشرح ما الذي يعطي الشكل حقًّا، وماذا يفعل الهواء في اللحظة التي ينفجر فيها البالون.