الطيران
يمكن أن تعمل قوى المقاومة بطرق متنوعة بحيث تعمل على تعقيد حركة الجسم المصمَت في أي مائع أو تعقيد حركة المائع في وعائه. في بعض الحالات ينتج اضطراب، وكثيرًا ما تتطوَّر المحاولات الأولى البسيطة لتفسير السلوك إلى نموذج حوسبي فائق يفوق القدرة على الفهم غالبًا. فَلْتبدأ إذن رحلتك في هذه التحديات مستعينًا بنهج بسيط؛ خشية أن يتصاعد بحثك سريعًا من حيث الصعوبة.
(١) رحلة ذهاب وإياب رأسية
يُقذَف جسمٌ لأعلى مباشرة. عند تجاهل تأثيرات الهواء، يكون من الممكن حساب الزمن الإجمالي لرحلة الذهاب والإياب صعودًا وهبوطًا لو كانت السرعة الابتدائية للأعلى معروفة. لكن إذا وضعنا التأثيرات الجوية في الاعتبار، فسيكون زمن رحلة الذهاب والإياب أكبر بسبب تحرك الجسم بسرعة أبطأ، أليس كذلك؟ هل الوقت المنقضي في رحلة العودة للأسفل يعادل الوقت المنقضي في رحلة الذَّهاب للأعلى؟
(٢) طريق طويل إلى الأرض
تسقط كرة عبر الهواء. هل تعتمد قيمة سرعتها النهائية على الارتفاع الذي أُسقِطَت منه؟ هل يمكن لكرة أُسقطت في وقت لاحق من الارتفاع نفسه أن تتجاوز الكرة الأولى؟
الربُّ ماكر، لكنه ليس خبيثًا.
(٣) مراجعة تحدي جاليليو
يُسقِط شخص في الوقت عينه كرةَ بولينج وكرةً بلاستيكية أخفَّ كثيرًا لهما القُطْر ذاته؛ وذلك من الارتفاع عينه في الهواء. ما الذي تتوقَّع حدوثه؟
حين سأله زميل له عمَّا يعنيه بهذا القول أجاب: «تُخفي الطبيعة سرَّها؛ لأنها جليلة في جوهرها، لا لأنها مخادِعة.»
(٤) مفارقة الأجسام الساقطة
تحدَّث فولفجانج باولي إلى الفيزيائيين العاملين مساعدين له قائلًا: «لن تكون مهامكم ثقيلة؛ فوظيفتكم هي أنه في كل مرة أتفوَّه فيها بشيء، عليكم أن تعارضوني بأقوى الحجج.»
(٥) مركَب الجليد
هل يمكن لمركَب جليد (مركب شراعي يتزلَّج على الجليد له دِعَامات جانبية) أن يتحرَّك بسرعة تفوق سرعة الرياح التي تدفعه؟
(٦) سفينة فلتنر التوربينية
سفينة فلتنر التوربينية مزوَّدة بأسطوانة رأسية كبيرة على امتداد خطِّها الأوسط يمكن تدويرها في أيٍّ من الاتجاهين بواسطة محرِّك صغير. بفرض أن السفينة متَّجهة ناحية الغرب، وأن الرياح قادمة من الجنوب مباشرةً، ففي أي اتجاه ينبغي أن تدور الأسطوانة كي تتحرَّك السفينة إلى الأمام؟ أم أنه لا أهمية لاتجاه الدوران من الأساس؟
بنى الأخوان رايت بضع طائرات شراعية. وحين كانا في منتصف الثلاثينيات كانا قد قاما بأكثر من ألف رحلة طيران بالطائرات الشراعية. وكان التحدي المثير الذي ألهب حماسهما هو كيفية تحريك طائرة شراعية باستخدام محرِّك الاحتراق الداخلي المخترَع حديثًا. كانت كل محركات السيارات المتاحة أثقل مما ينبغي؛ لذا في عام ١٩٠٣م بنى الأخوان رايت محرِّكًا خفيفًا. كان بهذا المحرِّك أربع أسطوانات أُفقية ذات قُطْر مقداره ٤ بوصات، وشَوْط مقداره ٤ بوصات، بإجمالي قُدرة ١٢ حصانًا. ثم ركَّبا هذا المحرِّك على طائرة شراعية خشبية مكسوَّة بالكتان، بحيث يُدير مروحتين في اتجاهين متعارضين.
(٧) قوة الرفع أكبر، أليس كذلك؟
حين لا تكون الطائرة في حالة تسارُع في أي اتجاه وإنما تحلِّق في خط مستقيم على ارتفاع ثابت وبسرعة ثابتة، تُوازِن قوة الرفع الوزنَ كما توازن قوة الدفع المقاومة. حين تدخل الطائرة في حالة من الارتفاع الثابت المستقر، تكون قوة الرفع أكبر من وزن الطائرة، أم أن الأمر خلاف ذلك؟
(٨) أطواف
عند مشاهدة أطواف وهي تتحرَّك طافية على مياه نهر، نرى أن تلك القريبة من المركز تتحرَّك بسرعة أكبر من تلك القريبة من الضفَّتين. أيضًا، الأطواف المحمَّلة بحمولات ثقيلة تتحرَّك أسرع من تلك المحمَّلة بحمولات خفيفة. لماذا؟
ليس لديَّ مثقال ذرةِ إيمانٍ بالملاحة الجوية باستثناء الطيران بالمناطيد، ولا أتوقع أي نتائج طيبة من أيٍّ من المحاولات التي نسمع بها.
(٩) متناقِضة دوبوا
في العلم، يذهب الفضل إلى الرجل الذي يُقنع العالم، لا إلى الرجل الذي تخطر له الفكرة.
(١٠) شَكْلا الجناح في تيار الهواء
قارِن جناحًا يواجه تيار الهواء بحافته المستديرة (الحالة أ) بنفس الجناح بعد أن يُدار، بحيث تواجه حافته الشبيهة بحد السكين تيار الهواء (الحالة ب). في أي الموضعَيْن سيُقابَل الجناح بمقاوَمة أقل؟
(١١) شَكْلا الجناح في تيار الماء
قارن جناحًا يواجه تيار الماء بحافته المستديرة (الحالة أ) بنفس الجناح بعد أن يُدار بحيث تواجه حافته الشبيهة بحد السكين تيار الماء (الحالة ب). في أي الموضعين سيُقابَل الجناح بمقاومة أقل؟
مقاومة الهواء على مساحة عمودية مقدارها ١٫٠ قدم مربعة تبلغ نحو ٢٥ رطلًا عند سرعة ١٠٠ ميل/ساعة، وهي تزداد إلى ١٠٠ رطل عند سرعة ٢٠٠ ميل/ساعة.
(١٢) سلك في مقابل جناح
يُظهِر الشكل جناحًا سُمكه ١٠ بوصات في أكثر أجزائه سُمكًا، وسلكًا مستديرًا قُطره بوصة واحدة. أيُّ الشكلين سيُنتج مقاومة أقل في تدفق الهواء عينه؟
(١٣) أجنحة ذات ثقوب
في العَقد الأخير أو نحو ذلك، صنعت الشركات المصنِّعة للطائرات أجنحة الطائرات بحيث تتخلَّلها ملايين الثقوب الدقيقة على مسافات منتظمة. هذه الثقوب يبلغ قطرها نحو واحد على الألف من البوصة الواحدة، وهي مصنوعة بواسطة أشعة الليزر. ما سبب الإقدام على هذه العملية المكلِّفة؟
(١٤) أطباق اللَّعب الطائرة المصْمَتَة
حين يُلقى الطبق الطائر اللُّعبة ويدور حول نفسه تمدُّه الحافة الأمامية بقوة الرفع، لكن يكشف التحليل عن أن الجزء الخلفي يستشعر تيارَ هواءٍ شديدًا إلى الأسفل، وهو ما يقلِّل من قوة الرفع الخاصة به. ومن ثم يكون مركز قوة الرفع متقدِّمًا عن مركز الجاذبية في الرحلة الإجمالية. هل هناك أي مشكلة في هذه الحالة؟
(١٥) أطباق اللَّعب الطائرة المجَوَّفَة
أطباق اللَّعب الطائرة المجوَّفة عبارة عن حلقة رفيعة يمكن رميها مثل أطباق اللَّعب المصمَتة لمسافات تتجاوز ٣٠٠ متر. لماذا يمكن رمي هذه الأطباق لمسافة تعادل ضعفَي المسافة التي تقطعها أطباق اللَّعب المصمَتة؟
معظم الناس يزدادون في الوزن في فصل الشتاء. وهذا التأثير منتظم لدرجة أن خطوط الطيران تضعه في الاعتبار عند تقدير الوقود المطلوب لرِحْلاتها.
(١٦) الطائرات الورقية ١
أحيانًا يكون في لجام بعض الطائرات الورقية زنبرك خفيف أو شريط مطاطي على الخط السفلي. لماذا؟
البحث العلمي يعني أن ترى ما رآه كل شخص غيرك، لكن أن تفكر فيما لم يفكر به أحد غيرك.
(١٧) الطائرات الورقية ٢
يساعد ذيل الطائرة الورقية على توفير ثبات جانبي عن طريق الجذب في اتجاه معاكس لأي حركة جانبية لحظية. يمكن أن يكون الذيل قطعة من القماش، أو قطعة من الورق أو البلاستيك، أو كوبًا أو عدة أكواب من المادة نفسها. كيف يمكن لهذه الأكواب، التي تسمَّى المراسي، أن تحافظ على اتجاهها بينما محورها «الأسطواني» مُوازٍ للريح؟
شاب صغير، وها قد ابتلعه النسيان بالفعل.
(١٨) مظلات الهبوط
لماذا توجد في مظلات الهبوط فتحة واحدة على الأقل؟
ثمة عبارة محفورة على جدار أحد الحمامات في جامعة برينستون تقول: ٢ + ٢ = ٥ للقيم الكبيرة للرقم ٢.
(١٩) سلوك غريب لخليط
يمكن عمل سائل ذي سلوك مُشَوِّق عن طريق إضافة نشا الذرة إلى زيت نباتي بنسبة حجم واحد إلى اثنين أو واحد إلى ثلاثة مع الخلط جيدًا حتى يكون للخليط قوام خفيف، بحيث يمكنك صبُّ الخليط في تيار متصل. بعد ذلك إذا قرَّبت قطعة ستيروفوم مشحونة كهربيًّا من التيار المصبوب فسيتوقف تدفُّقه. ما العملية الفيزيائية المسئولة عن هذا؟
أتردَّد في استخدام كلمة «الله»، لكن في دراساتي للكون توصَّلت إلى نتيجة مفادها أن هناك غرضًا من نوع ما من ورائه. فالكون نظَّم نفسه بطريقة معيَّنة بحيث صار واعيًا بنفسه. ونحن، ككائنات واعية، جزءٌ من ذلك الغرض.
(٢٠) كَاتشب
الكاتشب الخارج من زجاجة يتدفَّق أولًا ببطء ثم يُسرع في حركته، أحيانًا على نحو كبير. هل لديك أي أفكار عن العملية الفيزيائية المسئولة عن هذا؟
(٢١) خرطوم حديقة ملفوف
يمكن لخرطوم الحديقة الملفوف أن يتسم بسلوك غريب للغاية؛ فإذا صببْتَ الماء عبر قمع إلى الطرف العلوي للخرطوم الملفوف، فلن يخرج شيء منه من الطرف الآخر. بل الأكثر إثارةً للدهشة أن قدْرًا قليلًا من الماء فقط هو ما سيدخل الخرطوم. لماذا؟
(٢٢) الماء المتدفِّق من أنبوب
الماء المتدفِّق من أنبوب أو خرطوم ويكون متَّجهًا إلى الأسفل يقلُّ قُطْره ليصير على شكل تيار مستدَق الطرف. لكن السائل غير النيوتوني بجزيئاته طويلة السلاسل قد يتصرَّف على نحو مختلف. ما الذي تتوقَّع حدوثه للسائل غير النيوتوني الخارج من نفس الفتحة؟
أومن أن أفكارًا مثل اليقين المطلَق والدِّقة المطلَقة والحقيقة النهائية وما إلى ذلك، ما هي إلا تصورات من صنع الخيال لا ينبغي السماح بها في أي فرع من فروع العلم … وهذا التحرُّر في الفكر هو في نظري أعظم نعمة منحها إيانا العلم الحديث؛ إذ إن الإيمان بحقيقة واحدة وأنك من تمتلك هذه الحقيقة هو أصل كل الشرور في العالم.
(٢٣) كرتان في سائل لزج نيوتوني
تخيَّل أنك ألقيت كرتين متماثلتين في سائل لزِج نيوتوني، واحدة تلو الأخرى، من الارتفاع ذاته وفي الموضع ذاته فوق السطح مباشرة. ما الذي تتوقَّع حدوثه بشأن حركتهما خلال السائل؟
القطب الشمالي السماوي يقع على بُعد أقلَّ من درجة قوسية واحدة من النجم القطبي. وبسبب بدارية محور الأرض سيتحرَّك القطب الشمالي السماوي مقتربًا من النجم القطبي حتى حدود ٠٫٥ درجة قوسية في عام ٢٠١٢م، ثم يبتعد ثانيةً. نحو عام ٥٠٠ قبل الميلاد كان القطب الشمالي السماوي يقع على بُعد ١٢ درجة قوسية من النجم القطبي، ولم يكن قريبًا منه إلا في الخمسمائة عام الأخيرة أو نحو ذلك.
(٢٤) كرتان في سائل لزج غير نيوتوني
تخيَّل أنك ألقيت كرتين متماثلتين في سائل لزج غير نيوتوني، واحدة تلو الأخرى، من الارتفاع ذاته وفي الموضع ذاته فوق السطح مباشرة. ما الذي تتوقع حدوثه بشأن حركتهما خلال السائل؟
كل الأشياء، قريبة أو بعيدة،
بفعل قوةٍ خالدةٍ
مرتبطةٌ خُفْية بعضها ببعض،
لدرجة أنك لا تستطيع أن تهزَّ زهرةً
دون أن تزعج نجمًا.
(٢٥) كائنات مجهرية في بيئات ذات عدد رينولدز
الخبير هو شخص ارتكب كل الأخطاء التي يمكن ارتكابها في مجال محدود للغاية.
(٢٦) الرفع دون مبدأ برنولي*
أغلب تفسيرات قوة الرفع التي يُحدِثها تدفُّق الهواء فيما وراء أجنحة الطائرة تعتمد على تأثير برنولي. إلا أن بإمكاننا تفسير منشأ قوة الرفع دون استخدام مبدأ برنولي على الإطلاق. وفي الواقع، تبدو حقيقة أن بعض الطائرات يمكنها التحليق وهي مقلوبة متعارِضة مع التفسير القائم على مبدأ برنولي. كيف لنا أن نفسِّر الطيران دون الاستعانة بمبدأ برنولي؟
لِأَنَّ فِي كَثْرَةِ الْحِكْمَةِ كَثْرَةَ الْغَمِّ،
وَالَّذِي يَزِيدُ عِلْمًا يَزِيدُ حُزْنًا.
(٢٧) زوبعة في فنجان*
عند تقليب الشاي الموجود في فنجان، شريطة أن تكون أوراق الشاي حرة في السائل، ستجد أن معظم أوراق الشاي ينتهي بها المطاف على القاع في منتصف الفنجان. لماذا؟
(٢٨) حلقات الدخان ١*
حلقة الدخان الموجودة في هواء ساكن تتحرك ببطء في اتجاه عمودي على سطح الحلقة (انظر الشكل). في مثل هذه الحلقة تدور جسيمات الدخان حول المحور الحلقي الأجوف لحلقة الدخان في الاتجاهات التي تشير إليها الأسهم. ما الذي يدفع حلقات الدخان للحركة عبر الهواء؟ وفي أي اتجاه ستتحرك الحلقات المبيَّنة في الشكل؟
(٢٩) حلقات الدخان ٢
يمكن لحلقَتَي دخان أن تطارد إحداهما الأخرى، بحيث تُسرِع الحلقة المتأخِّرة في حركتها وتنكمش بينما تبطئ الحلقة المتقدِّمة في حركتها وتتمدَّد. تلحق الحلقة الصغرى بالحلقة الكبرى وتمر عبرها. بعد ذلك تنعكس الأدوار وتتكرَّر العملية! عرض مذهل بحق، لكن كيف لنا أن نفسِّره؟
لو أننا نعرف ما نفعله، لما أُطلِقَ عليه اسم بحث، أليس كذلك؟
