تسجيل الدخول

تسجيل

التدفقات في الساعات الرملية والصوامع

المؤلف:  جيرل ووكر

المصدر:  سيرك الفيزياء الطائر

الجزء والصفحة:  ص371

2025-08-11

766

إذا وضعت ساعة رملية على ميزان حساس لقياس وزنها، فهل تعتمد القراءة على إذا ما كان الرمل في حالة تدفق أم لا؟ يتدفّق الرمل مثل الماء إلى حد بعيد. فلماذا إذن لا يُوجد لدينا ساعات زجاجية مائية؟ عند وضع المواد الحبيبية، مثل حبيبات الرمال والخرز الزجاجي، على منحدر مائل بدرجة كافية فإنها تتدفّق لأسفل المنحدر. لكن إذا كان المنحدر خشنًا نسبيًّا، وكانت المواد الحبيبية تتكون من جزيئات مختلفة الأحجام، فلماذا تستطيع الواجهة» (الحافة السفلى من التدفق الانقسام إلى «أصابع» تمتد لأسفل المنحدر؟ افترض أن المواد الحبيبية تتدفّق لأسفل المنحدر أو المنزلق نحو عائق يُوقفها. فإذا كان إمداد المواد الحبيبية مُستمرا، فلماذا يبدأ التدفق ويتوقف بين الحين والآخر؟

الجواب: إليكم جواب الساعة الرملية التقليدي. يتغير وزن الساعة الرملية نسبيا عندما يبدأ تدفق الرمال وعندما ينتهي، لكنه يكون عاديا أثناء بقيَّة التدفق. (1) عندما يبدأ التدفق، وقبل اصطدام الحبيبات بالقاع، يكون الوزن أقل من العادي؛ لأن الحبيبات في حالة السقوط الحُرِّ لا تُسهم في الوزن. (2) وبمجرد أن تبدأ الحبيبات الاصطدام، يؤدي تأثيرها إلى موازنة خسارة الوزن الناجم عن السقوط الحر للحبيبات؛ ومن ثم يظلُّ الوزن عاديًّا في معظم الوقت. (3) عندما يُوشك التدفق على الانتهاء وتكون الحبيبات ما زالت في حالة اصطدام مع وجود قدر قليل من الحبيبات في حالة سقوط حر، يكون الوزن أكبر من العادي. وإليكم بعض التفاصيل التي تزيد الأمر تعقيدًا: (1) تبدأ الحبيبات في التحرك فعليًّا قبل الوصول إلى العُنق، ويكون لها سرعة مبدئية عندما تبدأ في السقوط الحر. ومِن ثَمَّ، فإن سرعتها قُبيل الاصطدام أكبر من السرعة المفترضة في الجواب التقليدي. (2) تتراكم الرمال لأعلى؛ ومن ثم تنتقل نقطة التصادم لتُصبح أعلى. وهذا التحول يُغير شدة الاصطدام ويُقلّل أيضًا كمية الرمال الساقطة في أي لحظة. (3) قد لا يكون التدفق سلسا لأسباب عديدة؛ فالعنق شديد الضّيق قد يجعل الحبيبات تكتظ لتكون أقواسًا تستمر لفترة وجيزة في عنق الساعة أو فوقها بقليل. وهذه الأقواس قد تسحب الهواء إلى الجزء السفلي، فتزيد ضغط الهواء هناك إلى أن يهرب الهواء عائدًا عبر العنق، فيُوقف تدفق الرمال «نسبيًّا». وهذا التوقف قد يكون منتظمًا على نحو يكفي لأن تُوصَف الساعة الرملية بأنها «تدق».

من الممكن أيضًا أن تتكون الأقواس عند تدفق الحبيبات في الصومعة. في بعض الحالات، يتسبب التدفق المتقطع في اهتزاز الصومعة فيما يُعرف باسم «زلزال الصومعة». وإذا كان الاهتزاز كبيرًا على نحو كافٍ فمن الممكن أن يُصدِر صوتًا يُسمَّى «تزمير الصومعة ومن الممكن أن يُسبِّب تَشقُق الصومعة ويؤدي إلى انهيارها. في الساعة الزجاجية المائية يعتمد مُعدل تدفق الماء من الجزء العلوي على ارتفاع الماء في ذلك الجزء، فكلما زاد ارتفاع الماء زاد معدل التدفق. وفي الساعة الرملية التي تكون فيها حبيبات الرمال أقواسًا لفترة وجيزة، فإن التدفق من الجزء العلوي لا يمت بصلة  لارتفاع الرمال في هذا الجزء، فما دامت الرمال متدفقة، يظلُّ مُعدل التدفق ثابتا عندما يتدفق مزيج من الحبيبات على أحد المنحدرات، فإن الجزيئات المنحدرة سريعًا تميل إلى الدوران في التدفق بطريقتين في القطاع العرضي الرأسي، تميل الحبيبات إلى الدوران إلى السطح وإلى المقدِّمة وإلى أسفل المنحدر. وعندما يتجاوزها التدفق، فإنها تحاصر ثم تعود إلى السطح وتُعيد الكرة في هذه الأثناء، يمكن أن تتباين هذه المسارات الدوارة عبر عرض التدفق بحيث يصبح بعضها مستقيما أثناء نزول المنحدر وصعوده مرة أخرى، وينحني بعضها يسارًا أو يمينًا عند نظرنا إليها. تُشكّل المسارات المستقيمة المتجهة لأسفل ولأعلى الأصابع الممتدة على المنحدرة، وتشكل المسارات المنحنية يمينا ويسارًا الفراغ بين هذه الأصابع. وإذا اصطدمت الحبيبات المتدفقة على المنحدر بعائق وتوقفت، فإن المواد تبدأ في التكدس، ويرتفع هذا التوقف لأعلى المنحدر إلى أن تُصبح كل المواد الموجودة على المنحدر ثابتة. ومن ثَمَّ، نظرًا لثبات الإمداد تبدأ المواد الجديدة في التدفق نزولا على «منحدر» المواد الثابتة لإعادة الدورة.

وإذا كان المنحدر خشنًا لدرجة تجعل تدفق الحبيبات يترك مواد رسوبية على المنحدر فبإمكانك زيادة ميل المنحدر قليلا والتسبب في انهيارات في كل مكان تخلخل فيه الطبقة الباقية.

وإذا كانت الطبقة ضحلة، فإن الاضطراب المتمثل( مثلا في وكزة من قلم رصاص) يسفر عن منطقة انهيار تُشبه دمعة تمتد لأسفل المنحدر (انظر شكل 1 أ).

كانت الطبقة سميكة، فإنَّ الاضطراب يُسفر عن انهيار يُشبه دمعة تمتد لأعلى المنحدر  (انظر شكل 1ب).

 إذا شکل1 نسق انهيار في (أ) طبقة رقيقة و (ب) طبقة سميكة من المواد الحسية.