الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
18الشمس في السماء: الأيام وفصول السنة
في حزيران تلعب في الخارج بعد العشاء في ضوء ذهبي؛ وفي كانون الأول تُشعَل مصابيح الشارع قبل أن تعود من المدرسة. تحافظ الشمس على عادتها القديمة — صعود في جهة، فأعلى نقطة، فنزول في الجهة الأخرى — لكن طريقها في السماء ليس الطريق نفسه طوال السنة. تابعها سنة كاملة تكتشف فصول السنة.
18.1 طريق الشمس المتغيّر
مثال 18.1 (طريق الصيف وطريق الشتاء)
راقب قوس الشمس في وسط الصيف: تشرق باكرًا، وتصعد عاليًا جدًّا — تكاد تكون فوق رأسك عند الظهر — وتغرب متأخّرة: طريق طويل عالٍ، ونهار طويل. أما في وسط الشتاء فالقوس منخفض قصير: تشرق الشمس متأخّرة، ولا تصعد كثيرًا فوق السطوح، وتغرب في منتصف العصر. وبين الاثنين، في الربيع والخريف، يكون الطريق وسطًا — ويتقاسم النهار والليل الساعات مناصفة تقريبًا.
قضية 18.2 (قاعدة الظهر)
في كل فصل من فصول السنة تقف الشمس في أعلى نقطة عند منتصف النهار — وفي تلك اللحظة يكون كل ظلّ أقصر ما يكون في يومه، ويشير في الجهة نفسها التي أشار إليها ظلّ ظهر الأمس وظلّ ظهر الغد. فظلال الظهر أوثق الأسهم في الطبيعة.
مثال 18.3 (قراءة الفصل من ظلّ)
طول ظلّ الظهر يتغيّر بتغيّر فصل السنة: ففي الصيف، والشمس تكاد تكون فوق الرأس، يكون ظلّ الظهر لعمود جذمة قصيرة؛ وفي الشتاء، والشمس منخفضة، يلقي العمود نفسه ظلّ ظهر طويلًا. علّم على طرف ظلّ الظهر على الأرض مرة في الشهر، فتزحف العلامات ذهابًا وإيابًا خلال السنة مثل نوّاس بطيء.
18.2 ساعة الظلّ
تعريف 18.4 (المزولة)
المزولة ساعة مصنوعة من ظلّ: عصا أو نصل قائم في الشمس، وحوله علامات تبيّن أين يقع الظلّ في كل ساعة. وبينما تقطع الشمس قوسها يجتاح الظلّ العلامات — على مهل، وفي صمت، ومن غير قطعة متحرّكة واحدة.
طريقة 18.5 (كيف تبني ساعة ظلّ)
في صباح مشمس، في موضع يبقى مشمسًا طوال النهار:
- اغرز عصا مستقيمة قائمة في أرض مستوية (أو انصبها في دلو رمل)؛
- وفي كل ساعة، عند تمامها، علّم على طرف ظلّها بحصاة واكتب الساعة على الحصاة بالطباشير؛
- وواصِل حتى المساء.
وفي الغد سيزور الظلّ حصواتك في مواعيدها: فعصاك تخبر بالوقت الآن. (لبعض الوقت على الأقلّ — فبينما ينزلق فصل السنة تنزلق الظلال أيضًا، وستنحرف حصواتك عن الصواب على مهل.)
18.3 السنة وفصولها
تعريف 18.6 (السنة وفصولها)
بينما تدور الأرض حول نفسها مرة في اليوم، فهي تقطع أيضًا رحلة ضخمة حول الشمس — ودورة كاملة واحدة تستغرق سنة، أي نحو يومًا. وعلى امتداد الدورة يرتفع طريق الشمس في سمائنا وينخفض على مهل، فنمرّ بفصول السنة الأربعة: فصول السنة هي الربيع والصيف والخريف والشتاء — ثم الربيع من جديد، دورةً بعد دورة.
مثال 18.7 (الأرباع الأربعة)
الصيف: شمس عالية، ونهارات طويلة، وظلال ظهر قصيرة. والشتاء: شمس منخفضة، ونهارات قصيرة، وظلال ظهر طويلة. والربيع والخريف بينهما — وفي كل واحد منهما يوم خاصّ يتساوى فيه النهار والليل طولًا. وقد تعلّم الفلّاحون والبحّارة والبنّاؤون قديمًا أن يقرأوا هذا التقويم من السماء مباشرة.
ملاحظة 18.8 (الشتاء ليس “أبعد”)
يُغري الظنُّ بأن الشتاء بارد لأن الأرض تبتعد عن الشمس. وليس الأمر كذلك — فالمسافة تكاد لا تتغيّر، وحين يكون الشتاء عندنا يكون الصيف عند الأطفال في النصف البعيد من الأرض في اللحظة نفسها، وهذا ما لا يفسّره “الابتعاد” البتة! والمفتاح الحقيقي هو طريق الشمس المنخفض: شمس منخفضة، وضوء مائل، وتدفئة ضعيفة. والتفسير الكامل موعود به في فصل لاحق.
18.4 تمارين
تمرين 18.1 ★
في أيّ فصل من فصول السنة يكون قوس الشمس أعلى وأطول؟ وفي أيّها يكون أخفض وأقصر؟ وماذا يفعل ذلك بطول النهار؟
حل
حل التمرين 18.1.
أعلى وأطول في الصيف — فتطول النهارات؛ وأخفض وأقصر في الشتاء — فتقصر النهارات.
تمرين 18.2 ★
في أيّ لحظة من النهار يكون ظلّ العمود أقصر؟ وما الذي يميّز ظلّ الظهر أيضًا، يومًا بعد يوم؟
حل
حل التمرين 18.2.
عند الظهر، حين تقف الشمس في أعلى نقطة. وظلّ الظهر يشير أيضًا في الجهة نفسها كل يوم من أيام السنة — وهو أوثق سهم في الطبيعة.
تمرين 18.3 ★
يلقي العمود نفسه ظلّ ظهر بطول حذاءين في حزيران وسبعة أحذية في كانون الأول. اشرح الفرق بطريقَي الشمس.
حل
حل التمرين 18.3.
في حزيران تقطع الشمس طريقها العالي وتكاد تقف فوق الرأس عند الظهر، فيكون الظلّ جذمة قصيرة. أما في كانون الأول فتبقى الشمس على طريقها المنخفض؛ ويأتي ضوءها مائلًا حتى عند الظهر، فيلقي العمود نفسه ظلًّا طويلًا.
تمرين 18.4 ★
كيف تخبر المزولة بالوقت؟ وممّ صُنع عقربها المتحرّك؟
تمرين 18.5 ★
في الطريقة 18.5، لماذا يجب أن تبقى العصا في موضع مشمس طوال النهار؟ وماذا يحدث للساعة في الطقس الغائم — وفي الليل؟
تمرين 18.6 ★
كم تستغرق الأرض في دورة واحدة حول الشمس؟ وكم فصلًا يسع في الدورة الواحدة؟ رتّبها ابتداءً من الربيع.
حل
حل التمرين 18.6.
سنة واحدة — نحو يومًا. وأربعة فصول في الدورة الواحدة: الربيع، فالصيف، فالخريف، فالشتاء.
تمرين 18.7 ★
كم يومًا في السنة تقريبًا؟ و— من فصل سابق — كم ساعة في اليوم؟ وأيّ رحلة من رحلتَي الأرض تصنع كلًّا منهما؟
حل
حل التمرين 18.7.
نحو يومًا في السنة؛ و ساعة في اليوم. فاليوم دورة واحدة للأرض حول نفسها؛ والسنة دورة واحدة للأرض حول الشمس.
تمرين 18.8 ★
اذكر قرينتين تراهما من نافذتك في أسبوع واحد وتخبرانك أفي وسط الصيف أنت أم في وسط الشتاء من غير تقويم.
حل
حل التمرين 18.8.
مثلًا: متى تُشعَل مصابيح الشارع (فالظلام قبل العشاء يعني الشتاء)؛ وكم ترتفع شمس الظهر؛ وكم تطول ظلال الظهر؛ وهل تستطيع اللعب في الخارج في ضوء النهار بعد العشاء.
تمرين 18.9 ★
حين يكون الشتاء حيث تعيش، أيّ فصل يكون عند الأطفال في النصف البعيد من الأرض؟ وماذا يثبت هذا في حقّ الظنّ القائل “يأتي الشتاء لأن الأرض كلها تبتعد عن الشمس”؟
حل
حل التمرين 18.9.
يكون عندهم الصيف، في اللحظة نفسها. ولو كانت الأرض كلها أبعد عن الشمس لجاء الشتاء عند الجميع دفعة واحدة — فالظنّ إذن خاطئ. والسبب الحقيقي هو الطريق المنخفض وضوؤه المائل.
تمرين 18.10 ★★
تغرز بستانيّة حصوات ساعة ظلّها في آذار. وفي حزيران لا يعود الظلّ يلمس الحصوات في الساعات المعلَّمة. أتحرّكت العصا؟ اشرح ما الذي انحرف، مستعينًا بما في المثال 18.3.
تمرين 18.11 ★★
تستيقظ رحّالة بلا ساعة ولا هاتف، فترى الشمس في أعلى نقطة تمامًا، وبعد ساعة تجد ظلّ خيمتها أطول من ارتفاع الخيمة. فأيّ ساعة كانت حين استيقظت تقريبًا، وأهي أقرب إلى وسط الصيف أم إلى وسط الشتاء؟ احتجّ بقاعدة الظهر وبطول الظلّ.
حل
حل التمرين 18.11.
وقوف الشمس في أعلى نقطة يعني أنها استيقظت عند الظهر. وإن صار ظلّ الخيمة بعد ساعة واحدة فقط أطول من ارتفاعها، فلا بدّ أن الشمس منخفضة جدًّا حتى قرب الظهر — وهو طريق الشتاء المنخفض: فهي أقرب إلى وسط الشتاء.