المفاهيم الأساسية:

الفيزياء

الهندسة

الزلازل

القياس

مقدمة:

يدرس العلماء الزلازل حتى نتمكن من فهمها والتنبؤ بحدوثها على نحوٍ أفضل. وفي هذا النشاط ستتعرف على أحد الأجهزة التي يستخدمها العلماء لقياس قوة الزلازل، وستصمم جهازك الخاص باستخدام أدوات بسيطة.

الخلفية العلمية:

تحدث الزلازل طوال الوقت، لكن غالبيتها تكون ضعيفةً إلى الدرجة التي تجعلنا لا نشعر بها، وهي لا تسبب أي ضرر. غير أن الزلازل الضخمة يمكن أن تكون كارثية، بما تسببه من ضرر هائل في الممتلكات والأرواح. تقاس قوة الزلازل على مقياس يُعرف باسم مقياس ريختر. ويتدرج مقياس ريختر من 1 إلى 10، بحيث تعني كل زيادة مقدارها 1 ريختر زيادة قوة الزلزال عن الوحدة الأصغر بمقدار عشرة أضعاف (فعلى سبيل المثال، الزلزال الذي تبلغ شدته 2 ريختر تكون قوته عشرة أضعاف الزلزال الذي تبلغ شدته 1 ريختر، وليس مجرد الضعف فقط). حتى عام 2019 بلغت قوة أقوى زلزال تم رصده 9.5 درجات على مقياس رختر.

يستخدم العلماء جهازًا يسمى “راسِم الزلازل” لقياس حركة الأرض في أثناء الزلزال. تتسم راسمات الزلازل بالحساسية الشديدة؛ إذ تستطيع رصد الزلازل التي تحدث على مسافات بعيدة جدًّا (كما ترصد الأشياء الأخرى التي تسبب اهتزاز الأرض، كاندلاع البراكين والتفجيرات الضخمة)، وهي الاهتزازات التي قد تكون أكثر خفوتًا من أن يشعر بها الإنسان. تُصنع راسمات الزلازل بتعليق جسم ثقيل الوزن داخل إطار صلب متصل بالأرض. عندما تتحرك الأرض في أثناء وقوع الزلزال يتحرك الإطار مع حركة الأرض جيئةً وذهابًا. غير أن الجسم الثقيل لا يكون متصلًا بالأرض اتصالًا مباشرًا، ومن ثم يميل إلى البقاء ثابتًا في مكانه. والنتيجة أن الجسم الثقيل يظل في مكانه، بينما يتحرك الإطار حوله جيئةً وذهابًا. وبتثبيت قلم في الجسم الثقيل، وورق في الإطار، يستطيع العلماء ملاحظة الحركة النسبية للثُّقْل والإطار، من خلال العلامات التي يرسمها القلم، وبهذا يتكون “راسم الزلزال”. يمكن تحليل راسم الزلزال لاحقًا لمعرفة متى حدث الزلزال، وكم كانت قوته. تسجل راسمات الزلازل الحديثة هذه الحركة على هيئة إشارة كهربائية، لكنك في النشاط الذي ستنفذه هنا ستصمم راسم الزلازل الخاص بك، من الطراز القديم الذي يستخدم القلم لتسجيل حركة الزلزال على شريط من الورق.

المواد المطلوبة:

• صندوق متوسط الحجم من الورق المقوى.
• كوب من الورق أو البلاستيك يستخدم لمرة واحدة.
• خيط.
• قلم تعليم.
• مقص (استعن بشخص بالغ يساعدك في قص الورق المقوى والكوب إذا لزم الأمر).
• ورقة أو إيصال طويل مطبوع من محل تجاري.
• شريط لاصق.
• عُمْلات معدنية، وكرات بِلْي، وأحجار صغيرة، أو أشياء أخرى صغيرة الحجم ثقيلة الوزن، لاستخدامها كأثقال.
• شخص آخر ليساعدك.
• ورقة رسم بياني (اختيارية).

التحضير :

• قص غطاء أو طيات صندوق الورق المقوى بعناية. ضع الصندوق بحيث يقف على أحد جوانبه الصغيرة.
• اثقب ثقبين يقابل أحدهما الآخر بالقرب من حافة الكوب بعناية.
• اربط قطعة من الخيط (طولها يزيد قليلًا على طول الصندوق) في كل ثقب.
• اثقب ثقبين في قمة الصندوق (بحيث تكون المسافة بين الثقبين مساوية للمسافة بين الثقبين اللذَين ثقبتهما في الكوب) بعناية.
• أدخل الخيطين في فتحتي صندوق الورق المقوى واربطهما معًا فوق قمة الصندوق بحيث يصبح الكوب معلقًا داخل الصندوق، وبحيث تكون قاعدة الكوب أعلى من قاعدة الصندوق بحوالي بوصة.
• اصنع ثقبًا في وسط قاعدة الكوب. انزع غطاء قلم التعليم، وادفع قلم التعليم خلال فتحة قاعدة الكوب، حتى يلامس سن القلم قاعدة الصندوق.
• املأ الكوب بالعملات المعدنية أو أثقال صغيرة أخرى. في رأيك لماذا تعتبر الأثقال مهمةً لعمل الجهاز؟
• اطوِ قطعة ورق بالطول، ثم اطوِها من المنتصف مرةً أخرى. فض طي الورقة وقصها بطول الطيات لتكون أربعة أشرطة متساوية. ألصق أشرطة الورق معًا من الأطراف، لتكوِّن معًا شريطًا واحدًا طويلًا (تستطيع أن تتجاوز هذه الخطوة إذا كان لديك إيصال طويل مطبوع).
• اصنع شقين مستعرضين على جانبي صندوق الورق المقوى بعناية، بالقرب من قاع الصندوق قدر الإمكان، ويجب أن يكون كل شق واسعًا بما يكفي لإمرار الشريط الورقي من خلال جانب واحد؛ حتى يخرج من الشق الآخر بعد المرور بوسط الصندوق.
• تأكد من تَمركُز سن قلم التعليم على الشريط الورقي، وربما تحتاج إلى صنع فتحتين أُخرَيين في سقف الصندوق وتعيد تعليق الكوب إذا لزم الأمر.

طريقة العمل:

• أخيرًا أصبحْتَ جاهزًا لاستخدام راسم الزلازل الخاص بك. ثَبِّت الصندوق بيديك بينما يقوم الشخص الذي يساعدك بسحب شريط الورق بانتظام من أحد الجانبين. ما الذي يرسمه قلم التعليم على شريط الورق؟
• الآن هزّ الصندوق إلى الأمام وإلى الخلف، بينما يستمر الشخص الذي يساعدك في سحب شريط الورق، على أن يبذل قصارى جهده لجعل سرعة السحب ثابتة. كيف يتغير الخط المرسوم على الورق؟
• توقف عن هَزّ الصندوق لثوانٍ قليلة، ثم حاول هَزَّ الصندوق بقوة أكبر.
• توقف لثوانٍ أخرى، ثم هزّ الصندوق هزًّا خفيفًا جدًّا.
• اسحب شريط الورق كله إلى خارج الصندوق وانظر إلى الخط. هل تستطيع أن تعرف بأي قوة كان الصندوق يهتز، اعتمادًا على شكل الخط؟ هل تستطيع معرفة متى لم يكن الصندوق يهتز على الإطلاق؟
• كرر التجربة باستخدام أشرطة ورقية إضافية، مع اختبار مقادير مختلفة من الاهتزاز.
• نشاط إضافي: هل يعمل راسم الزلازل الخاص بك عندما تهز الصندوق من جانب إلى جانب؟ أم عندما تهزه من أعلى إلى أسفل؟ هل تستطيع تصميم راسم للزلازل يمكنه تسجيل الحركة في اتجاهات متعددة؟
• نشاط إضافي: هل تستطيع تصميم تدريجك الخاص لقياس قوة “الزلازل” التي تُحْدِثُها بنفسِك؟ حاول استخدام ورقة رسم بياني، وانظر كيف يقيس تدريجُك مقدار الاهتزازات التي تتفاوت في قوتها.

المشاهدات والنتائج:

عندما يَسحب مساعدك الورقة عبر الصندوق، دون هز الصندوق، فإن قلم التعليم يجب أن يرسم مجرد خط مستقيم على شريط الورق. عندما تهز الصندوق يتحرك إلى الأمام وإلى الخلف، وتتحرك معه الورقة. ونظرًا إلى ثقل كتلة الكوب وطريقة تعليقه بالخيوط، لا يتحرك الكوب كثيرًا. يعني هذا أن شريط الورق سيتحرك إلى الأمام وإلى الخلف أسفل سن قلم التعليم الذي يكون ثابتًا (في الغالب)، مما يؤدي إلى رسم خط متعرج. يتناسب حجم هذه التعرجات (والذي يُعرف علميًّا بسعتها) مع القوة التي هزَزْتَ بها الصندوق، تمامًا مثلما تُعَبِّر تعرجاتُ خط راسم الزلازل الحقيقي عن قوة الزلزال.