الموسوعة العلمية الميسرة : القياس و الحركة و الطاقة

[حسام مجدي]

بسم الله الرحمن الرحيم و الحمد لله رب العالمين ..

السلام عليكم و رحمة الله و بركاته ..

هنا بعون الله سبحانه و تعالى يتم نسخ كتاب " الموسوعة العلمية الميسرة : القياس و الحركة و الطاقة "

الناشر مكتبة لبنان .. طبعة عام 1984

أسأل الله سبحانه و تعالى أن يفيد الجميع ببعض المعلومات العلمية البسيطة ..

و الحمد لله رب العالمين ..

و السلام عليكم و رحمة الله و بركاته ..

[حسام مجدي]

بسم الله الرحمن الرحيم و الحمد لله رب العالمين ..



الطول


عندما نتكلم عن الطول فإنه يتوجب علينا دائمًا مقارنة قياس ما بالنسبة إلى قياس آخر . فبقولك مثلًا إنك أطول من شخص آخر تعني المسافة من أخمص قدميك إلى قمة رأسك هي أكبر من نفس تلك المسافة عند الشخص الآخر . و لكنك إذا أردت معرفة ما إذا كنت أطول من صديق لك في مدينة أخرى فإنه من غير الممكن مقارنة طوليكما بالوقوف جنبًا إلى جنب . و البديل عن ذلك هو استعمال مقياس ما كمسطرة أو شريط قياس مثلًا لمقارنة طوليكما . و في هذه الحالة تكونان قد استبدلتما بمقارنة طوليكما مباشرة مقارنتهما بالنسبة إلى وحدة قياسية للطول , كالمتر أو القدم . لكن ايتعمال هذه الطريقة غير ممكن إذا كانت الوحدة القياسية للطول مختلفة من مكان إلى آخر . لذا فمن المهم جدًا التأكد من كون الوحدة القياسية هي نفسها في كل مكان .

و ظلت الياردة أساسًا لقياس الطول البريطاني حتى عام 1975 م حين تم التحول إلى نظام القياس المتري . و تقول الأساطير إن الياردة قد حُدِّدَتْ بالمسافة بين طرف أنف الملك ألفريد و طرف أصابعه و ذراعه ممدودة .

و كان أول مقياس عياري دقيق للياردة قد تم صنعه عام 1878 م من قضيب من البرونز و حفظ لدي الحكومة . و أظلق عليه اسم العيار الأولى . و عن تلك الياردة العيارية كانت تؤخذ قضبان بطولها لتحفظ كعيارات ثانوية في المختبرات في شتى أنحاء البلاد . و لقد تبين في عام 1960 أن الياردة العيارية البريطانية تتقلص بنسبة واحد على 36 مليونًا من طولها سنويًا . و قرِّرَ إذّاك التخلِّي عن هذا النوع من العيار للطول . و في عام 1963 حُدِّدَتِ الياردة من جديد نسبة إلى المتر , بحيث تساوي 0,9144 منه .

و المتر هو الوحدة القياسية للطول في معظم أنحاء العالم . و كان قد حدد أصلًا كواحد على عشرة ملايين من طول خط الطول المار بمدينة دنكرك في فرنسا .

و في عام 1927 , أعيد تحديد المتر كطول قضيب من سبيكة البلاتين و الإيريديوم محفوظ في باريس . و لكنه تبين فيما بعد أن هذا القضيب يُعاني هو أيضًا من تغيرات ظفيفة في الطول . و في عام 1960 , وُضع تعريف عالمي جديد للمتر يعتمد على الطول الموجي للضوء المنبعث من الذرات . و هذا الطول ثابت لا يتغير أبدًا ( بإذن الله سبحانه و تعالى ) . فالضوء الذي تبعثه الذرة في ظروف محددة ثابت الطول الموجي دائمًا . و لقد اختيرت لهذه الغاية ذرة لأحد نظائر غاز الكريبتون حيث يساوي المتر حاليًا 1650763,73 طولًا موجيًا للضوء المنبعث من ذرة الكريبتون , تحت شروط معينة .

هذا و يستخدم علماء الفلك و حدة أخرى لقياس المسافات بين النجوم هي السنة الضوئية , و تعرف بأنها المسافة التي يقطعها الضوء خلال سنةٍ كاملةٍ . فإذا علمنا أن سرعة الضوء 300 مليون متر في الثانية , و بأن في السنة 31,5 مليون ثانية , فإن السنة الضوئية تمثل مسافة هائلة تقدر بحوالي 9 ملايين مليون كم ( 9,46 x ( 10 أس 15 ) مترًا ) .



مفاهيم و تعريفات خاصة بالطول و القياس


المتر

يتألف المتر من مائة سنتيمتر و يتألف كل سنتيمتر من 10 ملليمترات , و يستعمل علماء الذرة وحدات مترية أصغر من ذلك . فالميكرومتر ( الميكرون ) يساوي واحد على ألف من الملليمتر , و النانومتر يساوي واحدًا هلى ألف من الميكرومتر , أما البيكومتر فيساوي واحد على ألف من النانومتر . و إنه على ذلك يكون مساويًا لواحد على مليون مليون من المتر .

الذراع و الياردة

الوحدة القديمة المسماة بالذراع تساوي المسافة من طرف المرفق إلى طرف الأصبع الوسطى للرجل . و نحن نعلم من قياسات الأهرام المسجلة بأن المصريين اعتبروا الذراع مساويًا 53 سنتيمترًا . أما الباردة فيُزعم بأنها المسافة بين أنف الملك ألفريد و طرف أصابع يده الممدودة .

شريط مقياس الطول


تقاس المسافات الأرضية بإستعمال شريط أو مقياس للطول . و هو ما يستعمله البناؤون أو المراقبون لتحديد أساسات الأبنية . و هذه الأشرطة مدرجة و مرقمة بحيث تُقرأ المسافة المقيسة مباشرة .

مقياس الورنية

يستخدم مقياس الثخن الميكرومتري ( المقداد ) لقياس القُطر الداخلية أو الخارجية للأجسام الدائرية المقطع . و تُقرأ المسافة بين فكي المقداد على مقياس المدرج .

الميكرومتر

إن الميكرومتر هو آلة لقياس المسافات الصغيرة بدقة كبيرة . و هو يتألف من كُمٍّ أسطواني يدور حول لولب داخلي . و عندما يدور الكُمُّ الأسطواني فإنه يدفع طرف الميكرومتر حتى يلامس الجسم المراد قياسه فيتسجل بالتالي عرض ذلك الجسم على المقياس .

[حسام مجدي]

بسم الله الرحمن الرحيم و الحمد لله رب العالمين ..



الوقت


منذ القدم و قبل أن تخترع الساعات , عرف الإنسان أن الفصول تتعاقب على فترات منتظمة , و أن الشمس تشرق و تغيب فيتعاقب الليل و النهار . كذلك تمكن إنسان ما قبل التاريخ من قياس الوقت باستعمال الظواهر الطبيعية المنتظمة . فسمي الفترة الفاصلة بين صيفين متتاليين سنة , و الزمن بين شروقين متتاليين للشمس يومًا . كما اتخذ من أوجه القمر المختلفة أساسًا لقياس الوقت . فلاحظ أن الفترة بين هلالين أو بدرين أو محاقين ثابتة و مقدارها 29 يومًا . و على ذلك , فإنه عندما يُقال بأن عدة أهلّة أو أقمار قد ولّت , يُفهم من لفظة هلال أو القمر شهر قمري .

و نحن نعلم الآن بأن جميع هذه الظواهر المنتظمة يمكن تفسيرها بحقائق علم الفلك . فكلمة يوم تعني الزمن اللازم للأرض كي تدور دورة كاملة حول محورها . و لكن للأرض في الوقت نفسه دورة أخرى حول الشمس تستغرق سنة من الزمن , تكملها في 360 يومًا و ربع اليوم . و هذا الربع يُحسب كل أربع سنوات يومًا يُضاف إلى السنة الكبيسة فتصبح 366 يومًا و يكون شهر شباط فيها 29 يومًا , ( بينما تعتبر السنة العادية 365 يومًا فقط ) و هذا الترتيب يُبقي التقويم السنوي متوافقًا مع حركة الأرض حول الشمس و بالتالي مع فصول السنة . أما الشهر القمري ( المحدد بوجه القمر ) فناتج عن دوران القمر حول الأرض و هذا ما يفسر واقعه المنتظم .

يُقسم اليوم إلى 24 قسمًا متساويًا قيمة كل منها ساعة . و تقسم الساعة إلى 60 دقيقة , و الدقيقة إلى 60 ثانية .


تُعتبر المزولة الشمسية إحدى الوسائل التي استعملت لبيان الوقت . فبدوران الأرض حول محورها , يتحرك ظل الشاخص في المزولة فوق سطح يُدرج بعناية بحيث يُمكن استعماله فيما بعد لحساب الوقت . و هنالك طرق أخرى لقياس الوقت , تعتمد على ظواهر أو عمليات منتظمة السرعة , كاشتعال الشمعة مثلًا . فإذا كان لديك شمعتان متشابهتان فإن بإمكانك صنع ساعة شمعية . و ذلك بحساب الزمن اللازم لحرق مسافة معلومة من الشمعة . و لنفترض مثلًا أنه في 3 ساعات نقص طول الشمعة 3 سنتيمترات . أي انه في ساعة واحدة يحترق سنتيمتر واحد من الشمعة . الآن علّم شمعتك الثانية بإشارات سنتيمترية , ثمّ أشعلها . إن بإمكانك حساب الوقت المنقضي بملاحظة عدد الإشارات المختفية . و من الظواهر المستعملة لقياس الزمن عبور الرمل من ثقب صغير , و هو أساس الساعة الرملية . و كذلك استخدمت ذبذبة النََوّاسِ ( أو البَنْدولِ ) أساسًا لقياس الوقت في الساعات البندولية .

و البندول هو عبارة عن كتلة معلقة بقضيب أو خيط من نقطة ثابتة . و المعروف أن البندول يستغرق وقتًَا ثابتًا في الترجُّح من جهة إلى الأخرى بغض النظر عن طول المسافة التي يجتازها . فمن الأجل الحصول على فترات ذبذة مختلفة يجب استعمال قضبان أو خيطان بأطوال مختلفة .

يستعمل العلماء حاليًا ساعات حديثة تعتمد على تذبذب الذرات . و تتميز هذه الساعات بدقتها الفائقة حيث مجال الخطأ فيها لا يتجاوز الثانية الواحدة في 3000 سنة .



مفاهيم و تعريفات خاصة بالوقت و طرق قياسه


المزولة الشمسية

أقدم المزاول المعروفة كانت مصرية الصنع . و خلال العصوةر صُنع الكثير من المزاول الجميلة .


اثبات أن زمن تردد ذبذبة البندول لا يتعلق بالمسافة التي يقطعها

باستطاعتك أن تثبت أن زمن تردد ( ذبذبة ) البندول لا يتعلق بالمسافة التي يقطعها . اربط وزنًا ما بطرف خيط و علقه على خطاف إلى خشبة أفقية . ثم اجعله يتردد بلطف و قس الزمن اللازم لخمس ترددات , ثم قس الزمن اللازم لخمس ترددات أوسع مدى و ستلاحظ أن الزمن هو نفسه . غيِّرِ الوزن المعلَّق و لاحظ أنَّ هذا أيضًا لا يُغيِّرُ زمن التردد . إن الذي يحدد زمن الردد هو طول البندول فقط . فإذا ما قصرت خيط التعليق يقل زمن الذبذبة و إذا ما طولته فسوف يزداد زمنها .

الساعات اليدوية و آليتها

في الساعات اليدوية و ساعات المكتب الصغيرة يُستبدل بالنَّوّاسِ نابضٌ حلزونيٌّ شَعرِيٌّ يدوِّرث دولاب الموازنة جيئة و ذهابًا . إن دولاب الموازنة يظل في حركة مستمرة بتأثير الدفعات التي يتلقاها من النابض الرئيسي بواسطة دولاب الانفلات المنتظم . لقد اخْتُرعتْ تلك الآلية منذ 200 سنة و لا تزال تُستعمل على نطاق واسع في تشغيل الساعات حتى اليوم .

الساعات الرملية و ساعات المياة

تعتمد كافة الأجهزة المستعملة لقياس الوقت على عمليات تتم بسرعة ثابتة . فالساعة الرملية تعتمد على سقوط الرمل من خلال ثقب صغير . أما الساعة المائية فتعتمد على تَقَطُّرِ المياة من مستوى إلى مستوى آخر تطفو عليه عوامة .

[حسام مجدي]

بسم الله الرحمن الرحيم و الحمد لله رب العالمين ..


السرعة و التسارع


إذا كانت المسافة بين مدينتسن 100 كيلومتر و قامت سيارتان في الوقت نفسه لِقطع المسافة بين المدينتين و انطلقت الأولى بسرعة 100 كيلومتر في الساعة ( كم / سا ) بينما تسير الثانية بسرعة 50 كم / سا , فمن الواضح أن السيارة الأسرع سوف تصل قبل الأخرى .

و عندما نقول إن سيارة ما تسير بسرعة 100 كم / سا , فذلك يعني أنه يلزمها ساعة كاملة لقطع مسافة 100 كيلومتر , و هي المسافة بين المدينة الأولى و المدينة الثانية . بينما يُلزم السيارة الثانية التي سرعتها 50 كم / سا , ساعتان لقطع المسافة نفسها . و هذا هو ما نعنيه بقولنا إن سرعة السيارة الأولى تفوق سرعة السيارة الثانية .

تقيس السرعة المسافة التي يجتازها جسم ما في وقت معين , أو يمعنى آخر , سرعة تحركه . و هناك وحدات مختلفة لقياس السرعة مثل مسل في الساعة و متر في الثانية و كيلومتر في الساعة .

إن حساب سرعة جسم متحرك هو أمر سهل . فإذا كانت سيارة ما تقطع 200 كيلومتر في أربع ساعات فإنّا نجد سرعتها بقسمة 200 كيلومتر على أربع ساعات أي 50 كيلومتر في الساعة .

و هكذا , فإنه يمكنك حساب متوسط السرعة لأي سفرة تقوم بها في سيارة . جِدْ مقدار الكيلومترات المقطوعة بطرح قراءة عداد المسافات عند القيام من قراءته عند الوصول , و استعن بساعتك لتحديد الوقت أو الزمن . و حيث أن السرعة تساوي المسافة مقسومة على الزمن , اقسم المسافة المقطوعة على الزمن المحسوب فتحصل على السرعة المطلوبة . إنَّ قطع مسافة 200 كيلومتر على طريق دولي واسع قد يستغرق حوالي ساعتين , فيكون متوسط السرعة 100 كم / سا . أما المدينة فقد لا تستطيع اجتياز أكثر من 30 كيلومترًا في الساعة .

إنَّ مراقبة مقياس السرعة خلال سَفْرَةٍ ما تُبيِّنُ لَكَ التغيُّر المستمر في سرعة السيارة . فقد يسجل مؤشر المقياس حينًا 100 كم / سا . و 60 كم / سا حينًا آخر , كما أنه قد يشير إلى الصفر عندما ستعرقل السير و تتوقف حركة الكرور . فمقياس السرعة يدل على سرعة السيارة في كل لحظة . و بالطبع تكون سرعة السيارة خلال الرحلة الكاملة مساوية لمتوسط ( أو لمعدل ) السرعة , و هو طول المسافة مقسومًا على الزمن الذي استغرقته .

عندما تكون السيارة متوقفة فلا سرعة لها . و عندما تبدأ بالتحرك فإنها تنتقل من سرعة إلى سرعة أكر . و يُطلق على تزايد السرعة اسم التسارع . فبانتقال السيارة من سرعة الصفر كم / سا إلى سرعة 80 كم / سا تكون قد تسارعت . و يُمكن لسيارة السباق مثلًا أن تنتقل من سرعة الصفر إلى سرعة 100 كم / سا بسرعة فائقة , بينما تتطلَّب سيارة قديمة فترة أطول للوصول إلى تلك السرعة . أي إن تسارع سيارة السباق أكبر . و يُعرف التسارع بأنه معدَّل تزايُد سُرعة جسم ما في وحدة الزمن . و معكوس التسارع هو التَّقاصُّرُ أو التَّباطُؤُ و هو معدَّل تناقُصِ سرعة جسمٍ ما في وحدة الزمن .


مفاهيم و أمثلة خاصة بالسرعة و التسارع و طرق قياسهما


مثال للسرعة الثابتة

توجد ساعة تقيس الوقت اللازم لسيارة لتقطع مسافة معينة , قطعت تلك السيارة مسافة 15 مترًا بعد مرور ثانية ثم 15 مترًا أخرى بعد مرور ثانيتين مما يجعل المسافة المقطوعة 30 مترًا . و هكذا ترى أن السيارة تقطع 15 مترًا في الثانية . أي أن سرعتها ثابتة و هي 15 مترًا في الثانية ( أي 54 كم / سا ) .

مثال للسرعة المتغيرة

توجد ساعة تقيس الوقت اللازم لسيارة لتقطع مسافة معينة , بعد أن تقلع هذه السيارة بثانية واحدة تكون قد قطعت 3 أمتار . و بعد ثانيتين تكون قد قطعت 6 أمتار أخرى فيصبح المجموع 9 أمتار , ثم تقطع 12 مترًا أخرى بعد مرور الثانية الثالثة فيبلغ المجموع 21 مترًا . و يبين هذا ( كما هو واضح في الرسم ) أنه مع مرور الوقت تزداد سرعة السيارة أكثر فأكثر , و هذا ما يُسمى بالتسارع .

الاختلاف في سرعة الكائنات الحية على اختلاف أنواعها

إن السرعة التي تنطلق بها الحيوانات تختلف كثيرًا حسب أنواعها . فالحلزون مثلًا يستطيع أن يجتاز ميلمترًا واحدًا في الثانية ( أو حوالي 306 أمتار في الساعة ) . إن أسرع الحيوانات التي تعيش على اليابسة هو الفهد و تقدر سرعته بــ 26 مترًا في الثانية ( أو حوالي 94 كم / سا ) و ذلك في المسافات القصيرة . و المعروف أن سرعة الحصان السباق قد تبلغ 18 مترًا في الثانية ( حوالي 65 كم / سا ) . أمَّا بالنسبة للإنسان , فإن أعلى سُرعة مسجلة له حتى الآن تُقدَّر بــ 11,8 مترًا في الثانية ( ما يقارب 42 كم / سا ) و لكن هذه السرعة لا يمكن تحقيقها إلَّا خلالَ ثوانٍ معدودات . فالعَدّاءُ الذي يقطع الميل ( 1610 أمتار ) في 4 دقائق يحقق سرعة معدَّلُها 24 كم / سا .

أسرع سيارة معروفة *

إن السرعة التي تسير بها السيارات تختلف اختلافًا بيرًا . و تتراوح السرعة القصوى لغالبية السيارات العادية بين 112 و 160 كم / سا . و في عام 1965 م سجلت السيارة (( الصوتية ( سونك ) – 1 )) المسيرة بمحركٍ نفاث سرعته مقدارها 982,4 كم / سا .


أسرع زورق معروف *

أسرع الزَّوارق على الإطلاق هو الزورق المسمى بلو بيرد ( العصفور الأزرق ) الذي قاده دونالد كامبل بسرعة 525 كم / سا و ذلك عام 1967 . و رافق تسجيل هذا الرقم مأساة انتهت بتحطيم الزورق و مقتل سائقه .

______

( * ) هذا حتى عام 1984 م و هو تاريخ صدور تلك الموسوعة .