تجربة عجلة ماكسويل واهم النظريات التى سبقتها

قدم علماء الفيزياء في القرنين الثامن والتاسع عشر مجموعة من التجارب الدقيقة التي أسهمت في تطور عالمنا التكنولوجي الحديث، ومن بين هؤلاء العلماء وأهمهم هو العالم ماكسويل الذي امتدت إسهاماته إلى نطاق مذهل في مجالات الفيزياء المختلفة، لذلك نقدم لكم بعض المعلومات عن تجربة عجلة ماكسويل واهم النظريات التى سبقتها.

فخلال السطور التالية من هذا المقال سنتعرف على من هو عالم الفيزياء جيمس كليرك ماكسويل وما هي إساهاماته في مجال الفيزياء وتطوير نظرية الكهرومغناطيسية؟، وما هي معادلات ماكسويل الأربعة وأهميتها؟، وما هي تجربة عجلة ماكسويل واهم النظريات التى سبقتها.

تجربة عجلة ماكسويل واهم النظريات التى سبقتها

تعد تجربة عجلة ماكسويل واحدة من أهم التجارب العامة في مجال الفيزياء، فقد استطاعت توحيد الظواهر الكهربائية والمغناطيسية، وسمحت باستخدام ظاهرة الأمواج الكهرومغناطيسية في العديد من التطبيقات التكنولوجية، وفيما يلي نشرح باختصارتجربة عجلة ماكسويل واهم النظريات التى سبقتها.

تعد تجربة عجلة ماكسويل من أهم التجارب التي تساعد على فهم الحركة الدورانية والعزم الدوراني، وتفيد في إظهار القوة الدافعة وانحفاظ الطاقة وعزم الدوران، وقد أُطلق عليها هذا الأسم نسبة إلى جيمس كليرك ماكسويل، وتقوم التجربة على الخطوات الآتية:

• عجلة ماكسويل هي جهاز معدني كبير مكون من حدافة معلقة في حبلين قويين مثبتين في إطار معدني.
• هذا الجهاز المعدني عبارة عن شكل محور قليلًا من لعبة اليويو، فعندما يلف شخص ما سلاسل على المحور ويحررها فعندما تصل إلى الأسفل فإنها ستصعد حتى تصل إلى نقطة البداية.
• يكون طول السلاسل واحدًا لضمان حدوث حركة صحيحة.
• تكون الحبال ملفوفة حول عمود العجلة الذي يتم تحريره بعد ذلك.
• ستنحل العجلة مع سقوطها لأسفل ولكنها ستلف نفسها مرة أخرى عندما تحملها القوة الدافعة إلى أعلى في الاتجاه المعاكس.
• تستمر عملية التذبذب لبعض الوقت قبل التوقف تدريجيًا مع فقدان العجلة للقوة الدافعة ببطيء.
• ثم تتحرك العجلة بسرعة أقل في كل مرة.
• يتم قياس كتلة العجلة، وقياس المسافة بين محور الدوران ونقطة التطبيق.
• تطبيق قوة على العجلة باستخدام الأوزان.
• تكرار التجربة: تكرار التجربة مع قوى مختلفة.

يتبين من خلال هذه الخطوات أن العلاقة بين العزم الدوراني والزمن يجب أن تكون خطية، كذلك يمكن حساب العزم الدوراني من خلال قياس القوة والمسافة، وهو ما يؤكد النظرية حول الحركة الدورانية والعزم الدوراني، مما يجعل تجربة عجلة ماكسويل تجربة عامة في فهم الحركة الدورانية والقوانين الفيزيائية التي تحكمها.

كما تثبت عجلة ماكسويل مسألة الحفاظ على الطاقة، إذ أن حركاتها تعكس التحويل الخلفي والأمامي بين الطاقة الكامنة للجاذبية والطاقة الحركية، وتأخذ هذه الحركات أشكال سرعة الدوران والسرعة الخطية التي تحدث في الحدافة.

النظريات التي سبقت عجلة ماكسويل

لقد كان ماكسويل من أكثر علماء القرن التاسع عشرًا تأثيرًا في علم الفيزياء إلا أن هناك علماء سابقوه بنظرياتهم التي كان لها أيضًا أهمية كبيرة في مجال الفيزياء، وعلى رأسهم نيوتن وإينشتاين، فقد كانت نظرية نيوتن رائدة في فهم الحركة والقوى، وساهمت في تأسيس العلم الحديث وقدمت مفاهيم ومباديء هامة لفهم الحركة والقوى.

وتتلخص نظرية نيوتن حول قوانين الحركة والجاذبية، في القوانين الآتية:

• قانون القصور الذاتي: وينص على أن الجسم يظل في حالته من السكون أو الحركة ما لم تؤثر عليه قوة خارجية.
• قانون القوة والتسارع: ينص القانون على أن القوة تتناسب مع التسارع والكتلة.
• قانون الفعل ورد الفعل: وينص على أن لكل فعل رد فعل مساوٍ في المقدار ومعاكس في الاتجاه.
• قانون الجاذبية: ينص على أن كل جسمين في الكون يجذبان بعضهما البعض بقوة تتناسب مع كتلتيهما ومع مربع المسافة بينهما.
• قانون تأثير الجاذبية: وينص على أن الجاذبية تؤثر على حركة الأجسام في الكون وتلعب دورًا هامًا في تحديد حركة الجواكب والنجوم.

وتتمثل أهمية نظرية نيوتن في أنها كانت أساسًا للفيزياء الحديثة، وساهمت في تطوير العديد من النظريات والمفاهيم العلمية، وتفسير العديد من الظواهر الطبيعية مثل حركة النجوم والكواكب، كما أنه تم تطبيقها في العديد من المجالات مثل الفيزياء والهندسة والفلك.

ومن النظريات التي سبقت ماكسويل أيضًا نظرية جاليليو حول الحركة، والتي كانت أساسًا لنظرية نيوتن حيث اعتمد عليها كأساس لقوانينه الحركية،  وقد اكتشف جاليليو أن العزم الدوراني يتناسب مع القوة والمسافة وأن القوة تتناسب مع التسارع، كما قدم مفهوم العزم الدوراني الذي يصف القوة الدورانية التي تؤثر على جسم ما، كذلك قدم مفهوم القصور الذاتي الذي يصف ميل الجسم إلى الحفاظ على حالته من الحركة أو السكون.

وينص قانون جاليليو الذي يفسر الحركة على أن الجسم المتحرك بخط مستقيم بسرعة ثابتة لا يطرأ عليه أي تأثير ما لم تؤثر عليه قوى خارجية، وهذا القانون هو الذي اعتمد ليه نيوتن ليضع قانون القصور الذاتي.

وتعد نظرية جاليليو من النظريات الرائدة التي ساهمت في تطوير الفهم العلمي للحركة والقوى وتطوير العديد من النظريات والمفاهيم العلمية، وتأسيس العلم الحديث حيث قدمت مفاهيم ومباديء هامة لفهم الحركة والقوى.

وسبق أرسطو كل من جاليليو ونيوتن في وضع نظريته حول الحركة والطبيعة، والتي قامت على اعتقاد أن لكل جسم حركة طبيعية تعتمد على طبيعة الجسم نفسه، وكذلك أن الحركة القسرية هي الحركة التي تتعارض مع الحركة الطبيعية للبشر.

وكانت كل من النظريات الثلاثة لأرسطو ونيوتن وجاليليو أساسًا للفيزياء الحديثة وساهمت في تفسير العديد من الظواهر الطبيعية مثل حركة الأجسام والكواكب، كما أنها ساهمت في تطوير العديد من النظريات والمفاهيم العلمية، ويبقى الفارق بينهم في أن أرسطو كان يرى بأنه كلما زادت ثقل الأشياء زادت سرعة سقوطها، بينما رأى جاليليو أن كتلة الجسم لا تؤثر على سرعة سقوطه.

معادلات ماكسويل

بعد أن تعرفنا على تجربة عجلة ماكسويل واهم النظريات التى سبقتها، تجدر الإشارة إلى إساهم آخر للعالم الفيزيائي ماكسويل وهو معادلات ماكسويل التي تعد واحدة من أهم أسس الفيزياء بجميع أقسامها، إذ استطاعت توحيد الظواهر الكهربائية والمعناطيسية واستخدام هذه الظواهر في العديد من التطبيقات التكنولوجية الحديثة.

وعلى الرغم من أن القوانين التي كانت تصف الحقول الكهربائية والمغناطيسية موجودة في ذلك الوقت بالفعل إلا أنها كانت بشكل متفرق، فكان من الضروري أن يعاد جمعها وتنسيقها والإضافة إليها، وهو ما فعله جيمس ماكسويل.

ففي عام 1860 أنهى ماكسويل عمله الشهير بـ”معادلات ماكسويل”، والتي تقدم شرحًا لأساسيات الكهرباء والمعناطيسية والعلاقة بينهما، وتتمثل في 4 معادلات توضح كيفية حساب القيم المغناطيسية المختلفة بشكل مباشر، وتصف كيفية تفاعل وانتشار المجالات الكهربائية وتأثرها بالأجسام، لذلك تعد هذه القوانين نقطة الانطلاق الأساسية للدورات المتقدمة المعنية بدراسة الظواهر الكهربائية والمغناطيسية، وفيما يلي نقدم شرح مختصر لكل معادلة على النحو التالي:

قانون جاوس للكهرباء: 

يفسر هذا القانون العلاقة بين الشحنات الكهربائية وشدة المجالات الكهربائية التي تولدها وتوزيعها، وينص على أن قيمة كثافة التدفق الكهربائي للسطح المغلق مساوية دائمًا لمقدار الشحنة الموجودة داخل هذا السطح المغلق.

قانون جاوس لللمغناطيسية: 

يعد قانون جاوس للمغناطيسية أبسط المعادلات الأربعة، وينص على أن مقدار كثافة التدفق المغناطيسي الإجمالي للسطح المغلق المتكامل يساوي دائمًا المقدار الإجمالي للتدفق المغناطيسي القياسي المغلق داخل هذا السطح، وذلك بغض النظر عن شكل وحجم السطح المغلق أو الوسط الموضوع فيه.

قانون فارادي: 

يصف قانون فارادي كيف تولد المجالات المغناطيسية المتغيرة مجالات كهربائية، وينص القانون على أن الملف الموصل ذو اللفات المتعددة وعددها N  الموضوع في مسار مغلق إذا تعرض لمجال مغناطيسي متغير فإنه بمرور الوقت ستتحفز فيه قوة دافعة كهربائية تتناوب بين كل اللفات فيه، وهذه المعادلة مشتقة بالأساس من قانون فارادي للحث الكهرومغناطيسي.

قانون أمبير: 

أجرى ماكسويل تعديلات مهمة على قانون أمبير، فقد استند قانون أمبير الأصلي إلى تولد مجال مغناطيسي من تيار كهربائي، ولكن أضاف ماكسويل إليه تعديلًا وهو أن المجال الكهربائي المتغير يولد مجالًا مغناطيسيًا.

وهكذا فتحت معادلات ماكسويل بابًا واسعًا لمزيد من الجهود لتوحيد نظريات علمية أساسية، واستخدام الأمواج الكهرومغناطيسية وتطبيقاتها في مجال الاتصالات والراديوهات، وفي مجال الرصد الفلكي.

كما أن نظرية ماكسويل توصلت إلى أن الضوء هو ظاهرة كعرومغناطيسية، وأكدت فكرة ثبات سرعة الضوء جنبًا إلى جنب مع نظرية النسبية الخاصة، وتوقع وجود موجات كهرومغناطيسية تسافر عبر الفراغ، واستطاع حساب سرعة تلك الموجات والتي كانت سرعتها تفوق سرعة الضوء، وهو ما يغني أن ماكسويل خلص إلى أن الضوء نفسه لا بد أن يكون شكلًا من أشكال الموجات الكهرومغناطيسية.

من هو ماكسويل؟

لقد تعرفنا على تجربة عجلة ماكسويل واهم النظريات التى سبقتها ونظريته ومعادلاته في مجال الكهرومغناطيسية، ولكن من هو ماكسويل وما هي نشأته وكيف وصل إلى هذه الإنجازات؟.

وُلد جيمس كلارك ماكسويل في 13 يونيو 1831 في إدنبرة باسكتلندا، ونشأ في عائلة محبة للعلم فقد كانت والدته تدرس الرياضيات والعلوم وتولت تعليمه المبكر في المنزل، ولكنها توفت وهو في سن صغير ليتولى والده رعايته، وألحقه بأكاديمية إدنبره، وهناك ظهرت مواهبه المتعددة خاصة في الرياضيات، وكتب أول عمل علمي له في سن الرابعة عشر من عمره.

وفي جامعة إدنبره درس ماكسويل العلوم الطبيعية لمدة 3 سنوات، ثم أكمل دراسته في جامعة كامبدريج واستمر فيها حتى عام 1856، وفي العام نفسه أصبح أستاذًا للفلسفة الطبيعية أي الفيزياء، كما أنه أصبح أستاذا فى جامعة أبردين وهو فى سن الخامسة والعشرين.

وأثناء عمل ماكسويل بجامعة كامبريدج أجرى بحثين مهمين الأول طور فيه نظريته في رؤية الألوان وتوصل لإمكانية تكوين أي لون عن طريق دمج الأحمر والأزرق والأخضر، والثاني كان عن خطوط القوى عند فارادي والذي كان مقدمة لنظريته في الكهرومغناطيسية.

واستمر ماكسويل في تقديم العديد من الأبحاث العلمية والدراسات في مجال الفيزياء وخاصة في مجال الكهرومغناطيسية، ومنها دراسة حول تفسير طبيعة حلقات زحل والتي قضى فيها عامين وأثبت أنها جسيمات صغيرة كثيرة العدد تدور حول الكوكب، وقد حازت هذه الدراسة على جائزة آدامز عام 1859.

ومن إسهامات ماكسويل أيضًا تطوير نظرية الكهرومغناطيسية التي تصف العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، والتي تم استخدامها في الاتصلات اللاسلكية والرادار وغيرها من التطبيقات التكنولوجية.

وقد توفي جيمس ماكسويل عن عمر يناهز الـ 48 عام في 5 نوفمبر عام 1879 في جامعة كامبريدج بإنجلترا، بعد معاناة شديدة مع سرطان المعدة، تاركًا من خلفه إرثً علميًا كبيرًا في مجال الفيزياء، وقد وصف إينشتاين إنجازات ماكسويل العلمية خلال احتفاله بمئوية مولد ماكسويل بأنها الأعمق والأكثر نفعًا لعلم الفزياء منذ عصر نيوتن، كما أن أينشتاين يعلق صورة ماكسويل على جدار مكتبه إلى جانب صور فاراداي ونيوتن.

اقرأ أيضًا: ماذا تعمل اذا كانت نتائج تجاربك لا تدعم فرضيتك