الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
36الضغط الجوي والطقس
أنت تعيش في قاع محيط — محيط من الهواء، عمقه مئات الكيلومترات، وثقله كله مستقرّ على كتفيك. فلماذا لا يسحقك؟ ولماذا لا تحسّ به حتى؟ وما شأن هذا كله بطقس الغد؟ للهواء، صديقنا الخفيّ القديم، سرّ كبير أخير يسلّمه.
36.1 للهواء وزن
مثال 36.1 (وزن ما لا يُرى)
تُوضع كرة قدم منفوخة على ميزان كفّتين دقيق وتُوازَن تمامًا. ثم يُفتح صمّامها فيهسّ الهواء الزائد خارجًا — الكرة نفسها، والصمّام نفسه، وكل شيء نفسه، ناقصًا بعض الهواء. ثم تعود إلى الميزان: فإذا الكرة المفرَّغة أخفّ. والفرق هو وزن الهواء الهارب. فالهواء مادة، وللمادة كتلة، والكتلة تجذبها الأرض إلى الأسفل: فالمحيط الذي فوقنا ثقيل.
تعريف 36.2 (الغلاف الجوي وضغطه)
الغلاف الجوي طبقة الهواء العميقة الملفوفة حول الأرض كلها. ووزنه يعصر الهواء في القاع — حيث نعيش — والهواء المعصور يدفع بشدّة كل سطح يلمسه. ويُسمّى ذلك الدفع الضغط الجوي.
قضية 36.3 (الدفع من كل الجهات)
يدفع الضغط الجوي كل سطح من كل جهة — إلى الأسفل على الطاولات، وجانبًا على الجدران، بل إلى الأعلى على السقوف والراحات. وهو جبّار: فعلى مساحة بقدر راحة يدك يدفع الهواء بقدر وزن حقيبة سفر كبيرة ممتلئة تقريبًا. ونحن لا ننتبه أبدًا، لأن الدفعات تأتي متعادلة: فالهواء الذي في داخلنا وخلف كل سطح يدفع بالشدّة نفسها.
طريقة 36.4 (البطاقة التي تحبس الماء)
دفع الهواء إلى الأعلى، ممسوكًا بالجرم المشهود (افعله فوق الحوض):
- املأ كأسًا بالماء حتى الحافة تمامًا؛
- وضع بطاقة قاسية ملساء مستوية فوقها، ملامسةً للماء من كل جانب؛
- وأمسك البطاقة في موضعها، واقلب الكأس رأسًا على عقب بالضبط، ثم أفلت البطاقة برفق.
فتبقى البطاقة — حابسةً ملء الكأس كله. فوزن الماء يضغط البطاقة إلى الأسفل، لكن الغلاف الجوي يضغطها إلى الأعلى بشدّة أكبر. لقد رأيت للتوّ دفعة الحقيبة من تحت.
36.2 آلات يشغّلها الغلاف الجوي
مثال 36.5 (الماصّة)
تظنّ أنك تسحب العصير صاعدًا في الماصّة. والحقيقة أنك لا تستطيع سحب سائل البتة — جرّب أن تسحب الماء بأصابعك! وإنما تمصّ الهواء من الماصّة. فإذا خلا داخلها من الهواء دفع الغلافُ الجوي الضاغط على العصير في الكأس العصيرَ صاعدًا في الماصّة الخالية إلى فمك. فكل رشفة رفعةٌ يؤدّيها الغلاف الجوي؛ وأنت لا تفعل إلا أن تُخلي الطريق.
مثال 36.6 (كؤوس الشفط والقنّينات المهروسة)
كأس الشفط المطّاطية في خطّاف الحمّام تُضغط مستوية على البلاط، فيُعصر الهواء من تحتها: فيدفع الغلاف الجوي الآن الكأسَ إلى الجدار ولا شيء خلفها يدفع في المقابل — مثبَّتة بالسماء نفسها. واربط غطاء قنّينة بلاستيكية فارغة عاليًا في الجبل، ثم انزل إلى الوادي: فتتكرمش القنّينة كأن يدًا شبحية عصرتها. فالهواء الذي يضغط من الخارج أكثر من هواء الجبل الرقيق المحبوس في الداخل — فيفوز الغلاف الجوي وتنطوي القنّينة.
مثال 36.7 (أرقّ مع الارتفاع)
اصعد تترك جزءًا من المحيط تحتك: فهواء أقلّ فوقك يعني دفعًا أضعف. تطقطق أذناك في تلفريك سريع بينما يتغيّر الضغط في الخارج؛ ويلهث متسلّقو الجبال في هواء صار رقيقًا. وهنا يستسلم لغز شاي الجبل من السنة الماضية: فبضغط الغلاف الجوي الأقلّ على الماء يأتي الغليان أسهل — فالماء على القمم العظيمة يغلي دون بكثير، أبرد من أن يُنقَع فيه شاي على أصوله.
36.3 البارومتر والطقس
تعريف 36.8 (البارومتر)
البارومتر هو الجهاز الذي يقيس الضغط الجوي — وهو عضو آخر في أسرة قضاتنا الأمناء، إلى جانب ميزان الحرارة والميزان. ويرتفع مؤشّره حين يضغط الغلاف الجوي فوقه بشدّة أكبر، وينخفض حين يخفّ الضغط.
قضية 36.9 (الضغط يتكلّم عن الغد)
ضغط الغلاف الجوي لا يهدأ: فالهواء الثقيل الهابط يجلب سماء صافية هادئة؛ والهواء الخفيف الصاعد يستدعي الغيوم والمطر. فالبارومتر عرّاف من نوع متواضع أمين: فالضغط الثابت أو الصاعد يعد بطقس صحو؛ والضغط الهابط ينذر بغيوم قادمة؛ والهبوط السريع يعني أن عاصفة قد تكون في الطريق.
ملاحظة 36.10 (الحرفان م وخ على خريطة الطقس)
ستُظهر نشرة الطقس الليلة دوّامات كبيرة معلَّمة بحرف م وحرف خ: مناطق ضغط مرتفع ومنخفض تنجرف عبر الخريطة مثل حيتان بطيئة. والهواء ينسكب أبدًا من مناطق الضغط المرتفع الثقيلة نحو مناطق الضغط المنخفض الخفيفة — وذلك الانسكاب هو الريح. فصل واحد وثلاثة أصدقاء قدامى مفسَّرون: تنبّؤ البارومتر، وأصل الريح، وسبب معرفة أذنيك أن الطقس على وشك أن ينكسر.
36.4 تمارين
تمرين 36.1 ★
كيف تبيّن تجربة كرة القدم أن للهواء وزنًا؟ وما الذي يُقارَن بالضبط؟
تمرين 36.2 ★
ما الضغط الجوي، ومن أين يأتي؟ وفي أيّ الجهات يدفع؟
حل
حل التمرين 36.2.
هو دفع الهواء المعصور في قاع الغلاف الجوي على كل سطح يلمسه. وهو يأتي من وزن محيط الهواء العميق الذي فوقنا، ويدفع من كل جهة — إلى الأسفل وجانبًا وإلى الأعلى.
تمرين 36.3 ★
يضغط الغلاف الجوي على راحة يدك بقدر وزن حقيبة سفر ممتلئة تقريبًا — ومع ذلك لا تحسّ بشيء. فلماذا؟
حل
حل التمرين 36.3.
لأن الدفعات تأتي متعادلة: فالهواء في الجهة الأخرى من راحتك — وداخل جسمك — يدفع بالشدّة نفسها بالضبط. ولا تُظهر جبروتَها إلا دفعة غير متعادلة، مثل التي على البطاقة أو على القنّينة المتكرمشة.
تمرين 36.4 ★
في حيلة البطاقة تتصارع دفعتان على البطاقة. سمِّهما، وقل أيّهما يفوز.
حل
حل التمرين 36.4.
وزن الماء يدفع البطاقة إلى الأسفل؛ والغلاف الجوي يدفعها إلى الأعلى. ويفوز الغلاف الجوي — فتبقى البطاقة ويُحبس الماء.
تمرين 36.5 ★
“أنا أسحب العصير صاعدًا في الماصّة.” صحّح هذه الجملة: ما الذي تنزعه حقًّا، ومَن الذي يرفع؟
حل
حل التمرين 36.5.
أنت تنزع الهواء من داخل الماصّة. فيدفع الغلاف الجوي، الضاغط على العصير في الكأس، العصيرَ صاعدًا في الماصّة المُخلاة: فالسماء هي التي ترفع.
تمرين 36.6 ★
لماذا تتشبّث كأس الشفط بالبلاط؟ وما الذي عُصر خارجًا، وما الذي يمسك الكأس؟
حل
حل التمرين 36.6.
ضغط الكأس مستوية عصر الهواء من خلفها. ومع انعدام ما يدفع من تحتها يثبّت دفعُ الغلاف الجوي الكأسَ على البلاط.
تمرين 36.7 ★
ماذا يحدث للضغط الجوي وأنت تصعد جبلًا، ولماذا؟ واذكر علامتين عليه ينتبه إليهما مسافر.
تمرين 36.8 ★
ماذا يقيس البارومتر؟ وبارومترك يهبط بسرعة منذ الفطور — فماذا ينبغي أن تتوقّع خطط النزهة؟
حل
حل التمرين 36.8.
دفع الغلاف الجوي — أي الضغط الجوي. والهبوط السريع ينذر بعاصفة في الطريق: فانقل النزهة إلى الداخل.
تمرين 36.9 ★★
تكرمشت القنّينة المغلقة في النزول من الجبل. اشرح التكرمش بالدفعات من الداخل ومن الخارج — وتوقّع: ماذا يحدث بدل ذلك لقنّينة أُغلقت في الوادي وحُملت صاعدة؟
حل
حل التمرين 36.9.
أُغلقت القنّينة على القمّة فحبست هواء جبل رقيقًا في داخلها؛ وفي الوادي صار الدفع الخارجي أشدّ من الدفع المحبوس في الداخل، فانطوت القنّينة. أما في الاتجاه الآخر فقنّينة أُغلقت في الوادي تحفظ هواءً قويًّا في داخلها بينما يضعف الدفع الخارجي مع الارتفاع: فتنتفخ مشدودة — وكيس الرقائق المغلق يفعل مثل ذلك في كل رحلة جبلية.
تمرين 36.10 ★★
من أين تأتي الريح، وفق دوّامات م وخ على خريطة الطقس؟ اربط ذلك بأقدم تعريف في هذا الكتاب: الريح هواء متحرّك — حرّكه ماذا؟
حل
حل التمرين 36.10.
ينسكب الهواء دائمًا من مناطق الضغط المرتفع الثقيلة نحو مناطق الضغط المنخفض الخفيفة، وذلك الانسكاب هو الريح. فيكتمل التعريف القديم بنفسه: الريح هواء متحرّك — حرّكته فروق الضغط الجوي.
تمرين 36.11 ★★
يشكو متسلّقو الجبال أن الشاي على القمم العظيمة لا يُنقَع قويًّا أبدًا وأن المعكرونة تبقى قاسية مهما طال غليانها. اجمع التفسير كله عبر سنتين: ماذا يفعل الغلاف الجوي الرقيق بدرجة الغليان، ولماذا لا يفيد إطالة الغليان؟ (قضيّتان، إحداهما من السنة الماضية، تُغلقان هذه القضية.)
حل
حل التمرين 36.11.
مع الارتفاع يضعف دفع الغلاف الجوي على الماء، فيأتي الغليان أسهل: فتنزلق درجة الغليان دون بكثير. وبقانون المسطبة لا يستطيع الماء الغالي أن يصعد فوق درجة غليانه أبدًا — واللهب الزائد لا يصنع إلا بخارًا. فماء القمّة يغلي باردًا ويبقى هناك: فالشاي ضعيف، والمعكرونة قاسية، والفيزياء راضية.