تسجيل الدخول

تسجيل

النوافير المرفرفة والشلالات القارعة

المؤلف:  جيرل ووكر

المصدر:  سيرك الفيزياء الطائر

الجزء والصفحة:  ص386

2025-08-12

626

لدى كثير من النوافير حوافُ تسقط من عليها المياه الفائضة في صورة طبقة رقيقة إلى البركة. فلماذا في بعض هذه النوافير ترفرف طبقة الماء بمُعدَّل عدة مرات في الثانية؟ التردد أقل بكثير من أن يُمكنك من سماع صوت الأمواج الصوتية الصادرة عن الرفرفة. أما التدفقات الأكبر والأطول فتحدث عندما يُسمح للماء الفائض بالانصباب من خلال مواسير الصرف داخل السد أو من أعلى قمة السد، لتسقط سقوطا حرا في بركة أو مجرى مائي. فلماذا تتمكن هذه التدفقات من إصدار صوت شديد القوة لدرجة تشبيهه بصوت عشرين قطارًا من القطارات السريعة؟

يتسبب الشلال المرتفع في إحداث اهتزاز ملحوظ في الأرض المجاورة، وأحيانًا تشعر بذلك بجسدك عندما تقف بالقرب من الشلال. وعند تحليل الاهتزاز ستجد أن أكبر قدر منه يحدث عند تردُّد مُرتبط بارتفاع سقوط الماء سقوطا حرا من الشلال، وكلما زاد الارتفاع قل التردد. فكيف يتسبب الشلال في اهتزاز الأرض؟ ولماذا يرتبط التردد بارتفاع الشلال؟ الجواب: السبب في رفرفة النافورة هي طبقة الهواء المحبوس خلف طبقة الماء الساقط. فعندما يتسبب الاضطراب العارض في اهتزاز صغير في طبقة الماء في الأعلى، فمن الممكن أن يزيد الاهتزاز عند سقوط الماء؛ أي تُوجَد «زيادة». وفي الأسفل، يُغير الاهتزاز ضغط الهواء في طبقة الهواء المحبوس الذي يُدفَع ويُجذَب بعد ذلك أعلى طبقة الماء؛ أي تُوجَد «تغذية ،مُرتدَّة» تُعزز اهتزاز طبقة الماء. وعلى الرغم من أن هذه الآثار تكون بسيطة في البداية وتكاد تكون غير مُدرَكة، فإن حلقة الزيادة والتغذية المرتدة تؤدي إلى تكبيرها إلى أن تُصبح ملحوظة. إلَّا أن هذه الحلقة لا يُمكن أن تحدث إلا مع معدلات تدفق مُعيَّنة وسرعات مياه مبدئية معينة، وسُمك معين لطبقة الهواء؛ ومن ثم لا تتعرض كل طبقات الماء الساقط إلى الرفرفة.

ويُطلق الماء الفائض من السد اهتزازاتٍ مُشابهة في عمود الماء وفي الهواء الموجود بين العمود والسد. وتُعرف حركة الماء الناتجة لدى المهندسين الهيدروليكيين باسم اهتزاز طبقة الماء». وفي الغالب تكون السدود مُصمَّمة بـ قواطع منع تكون الطبقات المائية» لمنع التدفق السلس للماء، وذلك للحيلولة دون الاهتزازات، بتكوين ستائر كثيفة من الماء الساقط.

في الشلال، يُنتج اصطدام واضطراب الماء عند أسفل الشلال أمواجا صوتية داخل عمود الماء الساقط. وعند تردُّدات مُعينة تُصدر هذه الموجات الصوتية «رنينا» (أي إن الأمواج يُعزز بعضها بعضًا وعندها يمكن أن يزداد هذا الاهتزاز ويُصبح قويا جدًّا. هذا الموقف يُشبه طريقة إصدار الأمواج الصوتية للرنين داخل أنبوب هواء له فتحة واحدة فقط؛ حيث يكون اهتزاز جزيئات الهواء صفرًا عند طرف الأنبوب المقفول ويبلغ ذروته عند الطرف المفتوح. ويكون التردُّد الذي يُطلق عليه التردُّد الأساسي»، الذي هو أقل تردد للرنين، هو المهيمن على الصوت المسموع المتسرب من الأنبوب.

في عمود ماء الشلال، يكون اهتزاز جزيئات الماء عند قمَّة الشلال مساويًا للصفر ويكون في أعلى مستوياته عند القاعدة، وتكون الاهتزازات أعلى ما يُمكن عند التردد الأساسي. تنتقل الموجات الصوتية عند ذلك التردُّد من الشلالات عبر الهواء وعبر الأرض. وكلما زاد ارتفاع الشلال انخفض التردُّد الذي تسمعه من الموجات الصوتية عبر الهواء. إلا أنك تستطيع الشعور بهذه الموجات الصوتية عبر جسدك ويُمكنك أن تشعر باهتزاز الأرض من خلال قدميك.