نبذة تعريفية عن البندول وآلية عمله

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

البندول آلية عمل البندول أدوات الفيزياء

هل سألت نفسك ذات يوم كيف تستطيع ساعات البندول القديمة المحافظة على دقة الوقت؟

يكمن السرّ في أداة تسمى (البندول) (الرقّاص أو النوّاس)، التي تتأرجح جيئة وذهاباً بسرعة ثابتة. إن تأرجح البندول يُعد شكلاً من الحركة يُسمى الاهتزاز.

جرّب أن تضع مسطرة فوق حافة طاولة وتنقر الطرف المتدلي منها، ستلاحظ أن نهاية المسطرة ستتحرك في الاتجاهين مُحدِثةً صوتاً غريباً: إنه مثال على الاهتزاز.

 

يعني الاهتزاز بكل بساطة "حركة متذبذبة، يمنة ويسرة". إن الكثير من الأجسام التي نتعامل معها في حياتنا اليومية تهتز، ولكل منها تردد يميزها عن غيرها .

فلو قمت برن جرس معدني فإن المعدن سيهتز بتردد يساوي تردده الطبيعي، محدِثاً صوتاً مميزاً، ومهما كانت قوة قرعك لذلك الجرس فإن تردد اهتزازه يظل ثابتاً ونغمة رنينه تبقى كما هي.

إن البندول (الرقّاص أو النوّاس) هو أحد أشكال الأجسام المهتزة. وإن أول من استطاع أن يفهم كيف يعمل البندول هو العالم (غاليليو). الذي عاش في إيطاليا قبل أربعمئة سنة.

 

لاحظ هذا العالم ذات يوم كيف تتأرجح الثريا المعلقة من سقف إحدى الكنائس، وباستخدام نبضه كساعة توقيت، لاحظ أن حركة الثريا تستغرق الزمن نفسه كي تتم فترة ذبذبة واحدة (أي حركة ذهاب وإياب واحدة) مهما ابتعد البندول (الرقّاص أو النوّاس) عن مركز تأرجحه.

لقد اكتشف (غاليليو) التردد الطبيعي للبندول، ثم تابع هذا العالم اهتمامه ليكتشف أن زمن تأرجح البندول يتوقف على طوله، فكلما كان البندول أكثر طولاً تباطأ تأرجحه وأن الثِقَل أو قوة الدفع لا يؤثران في ذلك.

بإمكان أي منكم تطبيق اكتشاف (غاليليو) من خلال بندول بسيط مصنوع من حجر معلق بخيط. علق الخيط على أحد حواف الطاولة، ثم اسحب الحجر قليلاً نحو الخلف وحرر الحجر، ثم احسب الزمن الذي يستغرقه الحجر كي يتأرجح عشر مرات.

 

كرر التجربة مع شدّ الحجر لمسافة أبعد أو استخدم حجراً أثقل. سترى أن البندول لن يكون أبطأ أو أسرع. لكنك إذا استبدلت الخيط بآخر أكثر أو أقصر طولاً، ستلاحظ أن بندولك سيتأرجح بتردد مختلف.

والأفضل من هذا وذاك أن تصنع بندولاً بشرياً. اجلس في أرجوحة في أحد أماكن الترفية من دون أن تحرك ساقيك، ثم اطلب من أحد أصدقائك أن يدفع الأرجوحة. وإذا قمت بتوقيت الزمن بنفسك، ستكتشف أن التأرجح ذهاباً وإياباً يظل ثابتاً مهما كانت الأرجوحة كبيرة أو صغيرة.

ويسمى الزمن الذي يستغرقه البندول لاستكمال حركة تأرجح واحدة "الزمن الدوري"، أما المسافة بين نقطة استقرار البندول وأبعد نقطة يبلغها في تأرجحه فتسمى السعة (مدى التردد).

 

وإذا تركت البندول يتأرجح لفترة طويلة فستلاحظ أن السعة تصبح أقل فأقل إلى أن يتوقف البندول عن الحركة، والسبب في هذا هو أن البندول سيفقد طاقته بفعل الإعاقة التي يسببها الهواء والاحتكاك بين الخيط والطرف الذي يتدلى منه البندول.

وعلى الرغم من أن التردد لا يتغير عندما يفقد البندول طاقته، إلا أن السعة تصبح أصغر ويظل الزمن الدوري كما هو من دون تغيير.

 

البندول المزدوج: ستقوم في النشاط التالي بصنع بندول مؤلف من قسمين متصلين، وكل قسم منهما يعمل كبندول منفرد من حيث زمنه الدوري وسعة تأرجحه، ما يجعل هذه الأداة تتحرك بصورة أكثر تعقيداً من استخدام بندول واحد. وبدلاً من التأرجح ذهاباً وإياباً

يتحرك البندول المزدوج إذا أمعنت النظر في نمط الحركة التي يؤديها هذا البندول.

 

اهتزازات مفيدة:

لكي تجعل المسطرة تهتز، امسكها بشكل ثابت على الطاولة، تاركاً طرفها الآخر بارزاً من على حافة الطاولة، وانقر هذا الطرف البارز من المسطرة.

جرب هذه العملية بأطوال مختلفة للجزء الممتد من حافة الطاولة وستكتشف أن الجزء الأكثر طولاً من المسطرة سيهتز بسعة أكبر ولكن بتردد أقل.

وباستطاعتك أن تستمع إلى التردد على شكل صوت منبعث من الاهتزاز، أما الاهتزازات ذات التردد

 

المنخفض فإنها تمر بالهواء وتسبب أصواتاً شديدة الانخفاض، بينما تحدث الاهتزازات ذات التردد المرتفع أصواتاً مرتفعة النبرة لكنها أكثر رقة.

حاول أن تقلد الصوت الذي يصدر عن المسطرة بأن تغني معه.

 

بندول "فوكو"

تحرك البندول البسيط دائماً بين النقطتين ذاتهما. وقد استخدم العالم الفرنسي (ليون فوكو) هذه الخاصية لكي يبيّن أن الكرة الأرضية تدور.

فقد وضع (فوكو) بندولاً متأرجحاً في كاتدرائية وبعد عدة ساعات انحرف تأرجح البندول بعيداً عن مساره. والحقيقة أن الأرض هي التي تحركت وليس مسار البندول.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]