وسائل النقل
تمنحنا وسائل النقل فرصة استخدام المفاهيم التي قابلناها في الفصلين السابقين عن الميكانيكا والهياكل في تحديات تَعِد بتحسين فَهْمنا للماكينات التي صنعتها يد البشر. ومن الأشياء التي نتدبرها في هذا الفصل عربات الأطفال والدرَّاجات والسيارات وغيرها من وسائل النقل. وسيلعب كلٌّ من الاحتكاك الساكن والاحتكاك الحركي واحتكاك التدحرج أدوارًا مهمة مختلفة في العديد من هذه التحديات؛ لذا عليك بتوخي الحذر. فعلى أي حال، تُدرك المركبات الفارق بين هذه الأنواع!
(١) عربة الأطفال
هل عربة الأطفال التي يبلغ ارتفاع عجلاتها قدمين أيسر في الدفع من العربة التي يبلغ ارتفاع عجلاتها قدمًا واحدةً؟
لماذا نجد أن المصعد الأول يتجه دومًا في الاتجاه الخاطئ؟ إذا كنت في طابق منخفض، فالأرجح أنك ترغب في الصعود لطابق أعلى؛ لأن عدد الوجهات الممكنة فوقك يزيد عن عددها أدناك. ومع ذلك، هناك على الأرجح أيضًا المزيد من المصاعد فوقك مقارنةً بعددها أدناك، وهو ما يعني أنه عندما تصلك هذه المصاعد، فإنها ستكون في طريقها إلى الأسفل.
(٢) الدرَّاج الساقط
تخيَّل أنك تركب درَّاجة على مسار مستقيم، وفجأةً تجد نفسك — بفعل جزء غير ممهَّد بالطريق أو هبَّة رياح — تميل إلى أحد الجانبين. سيحاول الدرَّاج المبتدئ غريزيًّا توجيه المقود إلى الناحية الأخرى، لكن سريعًا ما سيسقط ويصاب بسحجات نتيجة رد فعله هذا. على النقيض من ذلك، سيوجِّه الدرَّاج المحترف المقود في نفس اتجاه السقوط. فلماذا؟
غياب الدليل ليس دليلًا على الغياب.
(٣) التوقُّفات المفاجئة
في السيارات، المكابح الأمامية تكون إما مكابح أسطوانية أكبر من الموجودة بالعجلتين الخلفيَّتين، أو تكون مكابح قُرصية. المكابح القرصية لا تسخَن بسهولة مثل المكابح الأسطوانية؛ لأنها معرَّضة لتيار الهواء. ولهذا السبب، تكون المكابح القُرْصية أكثر جدارةً بالثقة عند التوقُّفات المفاجئة؛ لأن مادة المكابح المتصلة تكون محتفظة بمعظم خصائص الاحتكاك الانزلاقي الخاصة بها. لماذا هذا الاعتماد الكبير على المكابح الأمامية؟
ما الكون إلا أصغر حفرة يستطيع الإنسان أن يخفي رأسه فيها.
(٤) المكابح
ماريكا تقود سيارتها على طريقٍ مستوٍ، ثم تضع عصا ناقل الحركة في وضع اللاتعشيق، وتترك السيارة تسير في تباطؤ دون الضغط على دوَّاسة البنزين. في اللحظة التي تصل فيها السرعة إلى صفر، تضغط ماريكا المكابح على نحو مباغت. ما الذي ستشعر به؟ إذا كانت ماريكا تقود السيارة صاعدة طريقًا منحدرًا انحدارًا بسيطًا، ووضعت عصا نقل الحركة في وضع اللاتعشيق، وتركت السيارة تسير في تباطؤ دون الضغط على دوَّاسة البنزين، ثم ضغطت المكابح في اللحظة التي وصلت فيها السرعة إلى صفر، فما الذي ستشعر به؟ وهل الحالتان متماثلتان؟
(٥) مفاجأة
تخيَّل أنَّ لديك سيارتين مصغَّرتين متماثلتين؛ واحدة سوداء والأخرى بيضاء، وكلٌّ منهما بها أربع عجلات تدور على نحو مستقل. بعد ذلك تقوم بمنع العجلتين الأماميتين للسيارة البيضاء والعجلتين الخلفيتين للسيارة السوداء من الدوران عن طريق حشر قطعة ورق مطوية بين العجلات وجسم السيارة. بعد ذلك تقوم بترك السيارتين من على قمة لوح منحدر زلق، بحيث تشير مقدِّمة كل سيارة منهما إلى الأسفل. ما الذي تتوقَّع حدوثه؟
كان لويس الرابع عشر يأخذ الالتزامات التي كان يمليها لقبه الكوني [ملك الشمس] عليه بجدية. فقد أسَّس مرصَدًا مَلَكيًّا في باريس، وفيه اكتشف مدير المرصد، جان دومينيك كاسيني، أربعة أقمار لزُحَل أسماها، على نحو متوقَّع، على اسم الملك. وبموافقة الملك لويس أرسل كاسيني جان ريشار إلى عاصمة جويانا الفرنسية، الواقعة على دائرة عرض ٥ شمالًا؛ حيث وجد أن البندول يتأرجح هناك على نحوٍ أبطأ ممَّا يتأرجح في باريس، الواقعة على دائرة عرض ٤٩ شمالًا، وهو ما أشار إلى أن الجاذبية تقلُّ شدتها قرب خط الاستواء وتزيد عند دوائر العرض الأبعد. وبما أنه كان معروفًا أن الجاذبية تزيد مع اقتراب الجسم من مركز الأرض، ترتَّب على هذا أن الأرض ليست كرة تامة الاستدارة، بل جسم كروي مفلطح.
(٦) مكابح المحرِّك
بعض أدلة تشغيل السيارات تنصح السائقين باستخدام محرك السيارة ﮐ «كابح خامس» عند نزول طريق شديد الانحدار. على أيِّ وضعٍ لناقل الحركة يكون تأثير هذا الكبح في أقوى صُوَرِه؟
هذه المنظومة الجميلة من الشمس والكواكب والمذنَّبات لا يمكنها أن تنشأ إلا بمشيئة وهيمنة كيان ذكي قهَّار.
(٧) نقل الحركة
القاطرات البخارية والسيارات الكهربائية لا تحتاج أجهزة لنقل الحركة، لكن السيارات المُدارة بواسطة محرِّك احتراق داخلي تحتاج له، فلماذا؟
(٨) الإطارات المطاطية
الغرض من الحزوز الموجودة على الإطارات المطاطية للسيارات هو زيادة تشبُّثها بالطريق. لو أنك تتفق مع هذه العبارة، تدبَّرْ هذين السؤالين: (١) لماذا تستخدم سيارات السباق إطارات ملساء (ليس عليها أي حزوز)؟ (٢) لماذا تخلو بطانة المكابح من أي حزوز؟
(٩) الرياح القوية
السيد «س» يقود سيارته بسرعة. تهبُّ رياح قوية من اليسار، لكن لحسن الحظ الطريق جافٌّ؛ لذا لا تواجه السيارة مشكلة في البقاء في حارتها. فجأةً، يبطئ السائق الذي أمام السيد «س» سيارته، مجبِرًا السيد «س» على الضغط على المكابح. يضغط السيد «س» على المكابح بقوة، تتوقَّف العجلات عن الدوران وتنزلق السيارة على الطريق السريع. وعلى نحو غير متوقَّع، تدفع الرياح القوية الآن السيارة بسهولة إلى الحارة المجاورة، كما لو أن الطريق قد تحوَّل إلى جليد زلق. لماذا صارت الرياح بهذه القوة الآن؟
كانت الطبيعة وقوانينها قابعة في الظلام،
ثم قال الرب: فليكُنْ نيوتن، فَحَلَّ الضوء.
(١٠) عجلتان
قارِنْ بين العجلتين الموضَّحتين بالشكل. في عجلة الدرَّاجة البرامق مركَّبة مماسيًّا، أما في عربة كونستوجا فالبرامق مركَّبة شعاعيًّا. لماذا هذا الاختلاف؟
(١١) متناقِضة نيوتن
هل من الصحيح أنه حين يجذب الحصانُ العربةَ إلى الأمام، فإن العربة بدورها تشدُّ الحصان إلى الخلف بالقوة عينها؟ في لُعبة شدِّ الحبل هذه سيبدو — على الأقل من منظور الحبل الواصل بين الحصان والعربة — أن الحبل يُجذَب من قِبَل قوتين متساويتين من كلا طرفيه. في الواقع، يمكن للمرء أن يبيِّن أن القوتين الموجودتين عند طرفَي الحبل متساويتان ومتضادتان. إذن، من منظور الحبل، القوتان المتضادتان مجموعهما صفر. وبناءً عليه، عند البدء من السكون، لا يمكن أن يَنتُج عن الشد أي حركة. كيف إذن يتمكَّن الحصان البارع من النجاح في شدِّ العربة للأمام من السكون؟
(١٢) العربات المطيعة
عربات الأمتعة المسحوبة واحدة تلو الأخرى في خطٍّ متصل خلف الجرَّار في المطار تتخذ مسارًا مُقوَّسًا مدهشًا. ما هو مسار كل عربة متعاقِبة؟ ولماذا؟
(١٣) السُّلَّم المتحرِّك
سؤالنا يتعلَّق بالسُّلَّم المتحرك، سواء من النوع الذي يصعد أو يهبط بين الطوابق المختلفة أو النوع الأفقي الموجود في المطارات. بينما يصعد المزيد من الأشخاص على السُّلم المتحرك، ما الذي تتوقَّع حدوثه بشأن سرعة السلم المتحرِّك؟ وما الذي يحدث بالفعل؟
اسمع، هناك كون رائع للغاية بالخارج: فلنذهب!
(١٤) قطار الملاهي
يستمتع ستيفن وأناليس وأنابيل بركوب قطار الملاهي. يفضِّل ستيفن الجلوس في العربة الأمامية، بينما تفضِّل أناليس الجلوس في العربة الموجودة في منتصف القطار، أما أنابيل فتفضِّل الركوب في العربة الأخيرة. بينما يرتقي قطار الملاهي التلَّ الأول ويجتازه، لماذا يكون الشعور بالتجربة مختلفًا بالنسبة إلى كل راكب من الثلاثة؟
(١٥) حلقة على شكل قَطْرة متدلية
لماذا لا تكون المسارات الحلقية لقطارات الملاهي دائرية، وإنما على شكل قطرة متدلية؟
أنت وأنا استثناءان لقوانين الطبيعة؛ ارتفعتَ أنت عاليًا بواسطة جاذبيتك، أما أنا فقد غرقتُ بفضل رعونتي.
(١٦) اجتياز المنعطفات
بينما تجتاز سيارةٌ أحدَ المنعطفات، تقطع العجلتان الأماميتان قوسين مختلفين في نصف القطر، والأمر عينه ينطبق على العجلتين الخلفيَّتين. كيف تتمكَّن السيارة تحديدًا من تحقيق هذا الأمر؟ وهل تنزلق أيٌّ من العجلات؟
(١٧) السيارة القوية
إن محرِّكًا بقدرة ٢٠ حصانًا أو أقل هو كل ما نحتاجه لتسيير سيارة بسرعة ثابتة قدرها ٥٠ ميلًا في الساعة. لماذا إذن نصنع سيارات بقدرة ١٠٠ أو ٢٠٠ حصان أو أكثر؟
قال رجلٌ للكون: «سيدي، أنا موجود.»
فردَّ الكون: «لكن، هذه الحقيقة لم تَغرس داخلي إحساسًا بالالتزام نحوك.»
(١٨) سيارات الجرِّ الأمامي
لماذا تحقِّق سيارات الجرِّ الأمامي نجاحًا كبيرًا على الشوارع المغطاة بالثلج مقارنةً بسيارات الدفع الخلفي؟ ما الذي يمكننا عمله من أجل تحسين قوة سحب شاحنة خفيفة ذات دفع خلفي؟
أعلم أن هذا يخالف قانون الجاذبية، لكن كما تعلم، لم يسبق لي أن درست القانون من قبلُ قط.
(١٩) المتنزِّهون
يقوم ديفيد وريتشارد وبول كل أسبوع تقريبًا بنزهات تمشية طويلة. وعند حزم الحقائب فإنهم يضعون الأشياء الأثقل والأكثر كثافة قُرْب القمة، والأشياء الأخف والأقل كثافة قُرب القاع. هل لهذا النظام معنًى من الناحية العلمية؟ أو التشريحية؟
لا يستطيع العِلم حلَّ اللغز الأعظم للطبيعة؛ وسبب هذا هو أننا في نهاية المطاف جزء من اللغز الذي نحاول حلَّه.
(٢٠) أسرع حيوان
فهدُ الشيتا أسرع حيوان بري؛ فهو قادر على الوصول لسرعة قصوى مقدارها نحو ٧٠ ميلًا في الساعة في دفعات قصيرة تمتد لبضع ثوانٍ، وربما يحافظ على سرعةٍ تزيد عن ٥٠ ميلًا في الساعة لعشر ثوانٍ أو نحو ذلك. الظبي الأمريكي الموجود في سهول كولورادو يملك السرعة ذاتها تقريبًا، وبالتأكيد لديه قدرة تحمُّل أعلى؛ فهو قادر على العَدْو بسرعة ٥٥ ميلًا في الساعة لدقائق عدة، وهو وقت طويل حقًّا. أما الفيل فهو لا يستطيع في الواقع أن يعدو على الإطلاق؛ بمعنى أن يتمكَّن من رفع أقدامه الأربع جميعها من على الأرض في الوقت عينه. كيف تفسِّر الاختلاف في قدرة هذه الحيوانات على العَدْو؟
إن إحساس القلق الذي يُبقي على ساعة الميتافيزيقا التي لا تتوقَّف مطلقًا دائرةً مَنْبَعُه فكرةُ أن عدم الوجود يتساوى في احتماليته مع الوجود.
(٢١) اللوح المتأرجح
عند وضع لوح على قضيبين دائريَّين على النحو المبيَّن بالشكل، يرى المرء سريعًا أن اللوح يأخذ في التأرجح إلى اليمين وإلى اليسار على نحوٍ متكرِّر. فلماذا لا يندفع اللوح وحسب في أحد الاتجاهين كالقذيفة؟
لو أنني أملك قدرةً مُطلَقة وملايين عدة من السنوات كي أجرِّب فيها ما أشاء، لن أفكِّر في التباهي بالإنسان بوصفه النتيجة النهائية لجهودي.
(٢٢) حركة الدرَّاجة*
لدينا درَّاجة مثبَّتة تثبيتًا خفيفًا في وضع معتدل، بحيث تكون الكرنكات (والكرنك هو القضيب الواصل بين البدَّال وصندوق التروس) عموديةً. تُبذَل قوة أفقية إلى الخلف على البدَّال الأسفل. (أ) في أيِّ اتجاه ستبدأ الدراجة في التحرك؟ (ب) في أي اتجاه ستدور الكَرَنْكات؟
البحث في المسبِّبات الأصلية أمرٌ لا طائل من ورائه، وشأنه شأن العذراء التي نذرت نفسها للرب، لن يُنتِج شيئًا ذا نفع.
(٢٣) اجتياز المنعطف بالدَّرَّاجة*
حين تميل الدرَّاجة على نحو مفاجئ إلى أحد الجانبين، يخرج الدرَّاج من هذا المأزق بأن يوجِّه المقود في اتجاه السقوط. على النقيض من ذلك، عندما يكون الدرَّاج على وشْك اجتياز منعطف، فإنه قبل أن يصل إلى المنعطف مباشرةً يوجِّه العجلة الأمامية في الاتجاه المعاكس، فلماذا؟
أثناء غيابي، استبدل أحدهم بأثاثي كله نسخة أخرى طبق الأصل منه، وحين أخبرت شريكي في الغرفة بهذا ردَّ قائلًا: «هل أعرفك؟»
(٢٤) سائقو السباقات*
سائقو السباقات المحترفون يزيدون سرعة سياراتهم عند اجتياز المنعطفات، لماذا؟
لماذا تحتاجون أنتم — معشر الفيزيائيين — هذه المعَدَّات الباهظة الثمن للغاية؟ إن قسم الرياضيات لا يطلب شيئًا سوى ثمن الأوراق وأقلام الرصاص وسلال المهملات، بل إن قسم الفلسفة أفضل من هذا؛ فهو لا يطلب حتى سلالًا كي تُلقى فيها الأوراق المهملة.
(٢٥) الجدار*
في مسألة العلم، سلطة ألف شخص لا تساوي شيئًا أمام التفكير المنطقي المتواضع لفرد واحد.
