سلسلة قصة أعظم 100 اكتشاف علمي على مر الزمن ( العتلات والطفو )

سلسلة قصة أعظم 100 اكتشاف علمي على مر الزمن ( العتلات والطفو )

ما هذا الإكتشاف ؟ المبدآن الأساسيان الاثنان لكامل علمي الفيزياء والهندسة

من المكتشف ؟ أرخميدس Archimedes

لماذا يعد هذا الإكتشاف ضمن المائة العظمى ؟

إن مفهومي الطفو ( يدفع الماء جسماً نحو الأعلى بقوة تساوي وزن الماء المزاح من قبل الجسم ) والعتلات ( القوة الكابسة على طرف من العتلة تخلق قوة رافعة على الطرف الآخر تتناسب وطولي جانبي العتلة ) يشكلان الأساس للعلم الكمي والهندسة بأكملها ، فهما يمثلان أولى الإنجازات الخارقة للبشرية في فهم العلاقات والروابط المتواجدة في العالم الفيزيائي من حولنا وابتكار طرق رياضية لوصف الظواهر الفيزيائية للعالم ، لقد اعتمدت أعداد لا حصر لها من التطورات الهندسية والعلمية على هذين الإكتشافين.

كيف جاء هذا الإكتشاف ؟

في عام 260 قبل الميلاد درس أرخميدس Archimedes البالغ من العمر 26 سنة علمين معروفين  - الفلك والهندسة - في سيراكوس بصقلية ، في أحد الأيام جذب انتباه أرخميدس أربعة صبيان يلعبون على الشاطئ بلوح خشبي طاف ، إذ قاموا بموازنة اللوح على صخرة بارتفاع الخاصرة ، ثم امتطى أحد الصبيان إحدى نهايتي اللوح بينما قفز أصدقاؤه الثلاثة بقوة على النهاية الأخرى ، فكانت النتيجة أن قُذف بالصبي الوحيد في الهواء.

استمتع أرخميدس بهذا المشهد الطريف ، وعقد عزمه على فهم المبادئ التي سمحت بكل سهولة لوزن صغير ( صبي واحد ) برفع وزن كبير ( ثلاثة صبيان ) .

استخدم أرخميدس شريطاً من الخشب وقوالب خشبية صغيرة لتشكيل الصبيان ولوحهم الخشبي الطافي ، بينما صنع قالباً مثلث الشكل لتشكيل صخرتهم ، أثناء موازنته لمجاميع مختلفة من الأوزان على كلتا نهايتي العتلة lever ( كلمة lever  مشتقة من اللاتينية بمعنى أن ترفع ) أجرى أرخميدس قياساته وأدرك بأن العتلات كانت تخضع في عملها لإحدى تناسبات إقليدس ، كان يجب على القوة ( الوزن ) التي تضغط على كل من طرفي العتلة نحو الأسفل أن تتناسب مع طول اللوح على طرفي نقطة التوازن كليهما ، لقد اكتشف بذلك المفهوم الرياضي للعتلات ، نظام الرفع الأكثر شيوعاً وأساسية يتم ابتكاره على الإطلاق.

بعدها بخمسة عشر عاماً ، أي في عام 245 قبل الميلاد ، أمر أرخميدس من قبل الملك هيرون King Hieron ليكتشف فيما لو أن صائغاً قد غشه أم لا ، إذ كان الملك هيرون قد أعطى الصائغ وزناً من الذهب وطلب منه أن يصوغ له تاجاً من الذهب الخالص ، رغم أن التاج كان يزن نفس وزن الذهب الأصلي تماماً ، إلا أن الملك توقع بأن يكون الصائغ قد لف طبقة خفيفة من الذهب حول معدن آخر أبخس قيمة في الداخل ، كان المطلوب من أرخميدس أن يكتشف فيما لو كان التاج من الذهب الخالص دون تحطيمه.

لقد بدت تلك مهمة مستحيلة من نوعها ، على أيه حال بينما كانت أرخميدس يستحم في حمام عام ، لاحظ يده طافيه على سطح الماء ، وبدأت فكرة غامضة تتبلور في ذهنه ، سحب يده كاملة تحت السطح ، ثم استرخى ثانية فرجعت يده تطفو من جديد.

نهض داخل الحوض فانحسر مستوى الماء عن جوانب الحوض جلس ثانية ، ارتفع مستوى الماء من جديد ، فعندما جلس ارتفع الماء لمستوى أعلى من وشعر بنفسه أخف وزناً ، بينما انخفض مستوى الماء وشعر بنفسه أثقل وزناً لدى نهوضه ، لابد أن الماء كان يدفع بجسمه المغمور نحو الأعلى مما أضفى عليه شعوراً بالخفة.

حمل أرخميدس حجراً وقالباً من الخشب بنفس الحجم تقريباً وغمرها في الماء ، غاض الحجر ولكنه بدا أخف وزناً ، في حين كان عليه أن يدفع بالخشب نحو الأسفل حتى يغمره ، لقد دل ذلك على أن الماء كان يدفع الجسم نحو الأعلى بقوة تناسب كمية الماء المزاح من قبل الجسم ( حجم الجسم ) وليس وزن الجسم ، أما الثقل الذي بدا عليه الجسم في الماء فلابد وكان متناسباً مع كثافة الجسم ( مقدار ما وزنت كل كل وحدة حجم منه ).

أوحى هذا لأرخميدس بالإجابة على سؤال الملك ، فرجع إدراكه إلى الملك محملاً بمفتاح الغز ، الكثافة . لو كان التاج مصنوعاً من معدن ما آخر بدلاً عن الذهب فإن بإمكانه أن يزن الوزن ذاته ولكن سيمتلك كثافة مختلفة وسيحتل بالتالي حجماً مختلفاً.

غُمس بالتاج ووزن ككافئ من الذهب في قدر كبير من الماء ، فأزاح التاج كمية أكبر من الماء ، وبالتالي اتضح بأنه مزيف ، لكن الأهم من إظهار غش الصائغ بالنسبة لنا أن أرخميدس قد اكتشف مبدأ الطفو والذي يقضي بأن الماء يدفع بالأجسام نحو الأعلى بقوة تساوي كمية الماء التي تزيحها هذه الأجسام.

حقائق طريفة : لدى اكتشافه لمفهوم الطفو ، قفز أرخميدس من الحمام وصاح بالكلمات التي اشتهرت من بعده إلى الأبد : Eureka ( يوريكا ) بمعنى ( وجدتها ) ، أصبحت هذه الكلمة شعاراً لولاية كاليفورنيا الأمريكية عندما صح بها عمال المناجم الأوائل المهاجرين إلى هناك بحثاً عن الذهب ، ووجدوه فعلاً.