مد وجزر أوتوماتيكي

اصنع نموذجًا بسيطًا لاستكشاف تأثير الشمس والقمر في المد والجزر.

في معظم الأماكن على وجه الأرض؛ حيث يلتقي المحيط مع الأرض، هناك مَّدان وجزران كل يوم. تقدم هذه الوجبة الخفيفة نموذجًا لنظرية توازن المد والجزر، موضحةً سبب وجود دورتين من المد والجزر يوميًّا، ولماذا تتغير ارتفاعات المد والجزر على مدار الشهر، ولماذا يتأخر المد والجزر ساعة تقريبًا كل يوم.

الأدوات والخامات

• نموذج نظام الأرض والشمس، مطبوع (بالألوان، إن أمكن) على ورق كرتون أو أي ورق مقوى آخر أبيض.

• نموذج نظام الأرض والقمر، مطبوع أو منسوخ على ورق شفاف.

• نموذج الأرض، مطبوع على ورق كرتون أبيض.

• مقص.

• دبوسان للتثبيت.

• قطعتان صغيرتان ورقيقتان من الفلِّين (شرائح سدادة زجاجة فِلِّين تقضي الغرض).

• اختياري: ورق مقوى أو ورق كرتون، على الأقل 12 × 12 بوصة
  (30 × 30 سم).

التجميع: الجزء الأول

1. قص أحد المستطيلات التي تحتوي على الأرض والشمس من نموذج نظام الأرض والشمس الذي طبعته على ورق الكرتون.

2. قص أحد نماذج الأرض من نموذج الأرض الذي طبعته على ورق الكرتون. لاحظ أن المنظور يتركز فوق القطب الشمالي.

3. أدخل دبوس تثبيت من خلال مركز نموذج الأرض (حيث توجد علامة +) وأرفقه بالدائرة البيضاء بعلامة + (التي تمثل الأرض) على نموذج نظام الأرض والشمس.

4. ضع قطعة من الفلِّين على الطرف الحاد من الدبوس الموجود على الجانب السفلي من ورق الكرتون.

5. إذا كان لديك ورق مقوَّى، أدخل دبوس التثبيت الثاني عبر مركز الشمس وثبته في منتصف الورق المقوى. ضع قطعةً أخرى من الفلين على الطرف الحاد من الدبوس الموجود على الجانب السفلي من الورق المقوَّى.

ماذا تفعل وماذا تلاحظ؟

لاحظ انتفاخات المد والجزر على جانبي الأرض، المشار إليها بواسطة الشكل البيضاوي الأصفر حول دائرة الأرض؛ أين تقع انتفاخات المد والجزر؟ عندما تدوِّر الأرض حول الشمس؛ هل تتغير انتفاخات المد والجزر؟

دوِّر الأرض حول دبوس التثبيت خلال يومٍ واحدٍ؛ كم عدد انتفاخات المد والجزر التي يمر بها أي مكان على الأرض؟ (يمكنك رسم سهم على الأرض يقارب خط الزوال لمساعدتك على التعقب.)

التجميع: الجزء الثاني

1. قص أحد المستطيلات التي تتضمن كلًّ من الأرض والقمر من نموذج نظام الأرض والقمر الذي طبعته على ورقٍ شفاف.

2. انزع دبوس التثبيت والفلِّين من نموذج نظام الأرض والشمس. أدخل ورق نظام الأرض والقمر الشفاف بين نموذج الأرض ونموذج نظام الأرض والشمس. تأكد من محاذاة جميع علامات + ثم أعد إدخال دبوس التثبيت حتى يمر عبر جميع النماذج الثلاثة.

3. استبدل الفلِّين الموجود على الجانب السفلي لورق الكرتون لتغطية الطرف الحاد للمسمار.

ماذا تفعل وماذا تلاحظ؟

افحص الرسومات الموجودة في النموذج الشفاف. ماذا تلاحظ؟ أين تقع انتفاخات المد والجزر القمرية؟ عندما تدوِّر القمر حول الأرض، هل تغير انتفاخات المد والجزر مواقعها بالنسبة للقمر؟

دوِّر النموذج الشفاف بحيث يكون القمر بين الأرض والشمس، ليكون نموذجًا لقمرٍ جديدٍ؛ هل المد والجزر الشمسي والمد والجزر القمري «مُصطفَّان»؟ مع الحفاظ على الشفافية ثابتة، دوِّر الأرض خلال يومٍ واحدٍ؛ ما عدد مرات المد والجزر التي يمر بها أي موقعٍ واحدٍ على الأرض؟

هل هناك أطوار قمرية أخرى يتحاذى فيها المد والجزر الشمسي والقمري؟ دعونا نكتشف ذلك؛ بدءًا من القمر الجديد، دوِّر القمر ربع دورة عكس اتجاه عقارب الساعة حول الأرض، لتمثيل الربع الأول؛ هل لا يزال المد والجزر الشمسي والقمري يصطفَّان معًا؟

حرِّك القمر ربع دورةٍ أخرى عكس اتجاه عقارب الساعة، لتشكيل قمر مكتمل (عندما تكون الأرض بين القمر والشمس)؛ ماذا تلاحظ؟

دوِّر القمر ربع دورةٍ أخيرًا عكس اتجاه عقارب الساعة، لتمثيل الربع الثالث؛ ماذا تلاحظ؟

الآن، اختر موقعًا على الأرض (مثل المكان الذي تعيش فيه)، ووجهه نحو الشمس؛ هذا الموضع يسمى الظهر الشمسي. بعد ذلك، حرِّك القمر إلى موضع القمر الجديد (بين الأرض والشمس).

دوِّر الأرض خلال يومٍ شمسيٍّ كاملٍ، بحيث يدور موقعك المحدد في دائرة كاملة، من الظهر الشمسي إلى الظهر الشمسي. ومع ذلك، مع دوران الأرض، يدور القمر أيضًا حول الأرض؛ إذًا، هل لا يزال القمر في وضع القمر الجديد بعد 24 ساعة؟ حاول أن تتخيَّل إلى أي مدى يدور القمر في يومٍ واحدٍ مدته 24 ساعة. (لمحة: يستغرق القمر نحو 28 يومًا ليدور دورةً كاملة من قمرٍ جديدٍ إلى قمرٍ جديدٍ.)

إذا لم يكن القمر يدور حول الأرض وكان ثابتًا في طور القمر الجديد؛ ففي أي الأوقات سنشهد المد والجزر؟

ما الذي يحدث؟

يحدث المد والجزر بسبب قوى الجاذبية، والتي تعتمد على كتل الأشياء والمسافات بينها. في الجزء الأول من هذه الوجبة الخفيفة، استكشفنا المد والجزر الشمسي. قوة الجاذبية التي تمارسها الشمس تسحب محيطاتنا نحوها. من السهل أن نفهم كيف يؤدي هذا التأثير إلى المد على جانب الشمس من الأرض، ولكن لماذا يوجد أيضًا مد على الجانب الآخر من الأرض؟

تختلف قوة الجاذبية بشكلٍ كافٍ على مسافة قطر الأرض بحيث تختبر الكتل على جانبي الأرض كميات مختلفة من الشد. بينما تتناسب قوة الجاذبية مع عكس مربع المسافة بين جسمين، فإن قوة رفع المد تتناسب مع عكس تكعيب المسافة. لذلك، فإن المحيط على الجانب الأقرب للشمس يواجه أكبر قوة، والمحيط على الجانب الأبعد عن الشمس يواجه أقل قوة، وبالطبع، فإن الأرض نفسها تواجه قوةً في مكانٍ ما بينهما، مما يؤدي إلى «تمدد» هذه الكتل الثلاث وانتفاخات المد على الجانبين القريب والبعيد من الكوكب.

عندما تدور الأرض حول محورها، فإنها تمر من خلال انتفاخين مَدِّيين في دورةٍ واحدةٍ (يومٍ واحدٍ). بينما تدور الأرض حول الشمس (عامًا واحدًا)، تظل انتفاخات المد متماشية مع الشمس.

تمامًا مثل الشمس، ينتج القمر انتفاخات مدية على الأرض؛ أحدهما على الجانب الأقرب للقمر والآخر على الجانب الآخر. وينشأ هذا المد القمري من قوى زيادة المد القائمة على الجاذبية نفسها؛ التي تنتج المد الشمسي. على الرغم من أن القمر أصغر بكثير من الشمس، فإنه أيضًا أقرب كثيرًا، لذا فإن تأثير المد والجزر للقمر يكون ضعف تأثير الشمس. أثناء تدويرك نموذج الأرض الورقي خلال يومٍ كاملٍ، يدور كل جزءٍ من الأرض تحت الانتفاخين المَدِّيين، ومن ثم يوجد مدَّان وجزران يوميًّا في معظم أجزاء الأرض. شاهد فيديو «رقصة المد والجزر» لمشاهدة توضيحٍ لهذا.

في الجزء الثاني من هذه الوجبة الخفيفة، نظرنا إلى تأثير الشمس والقمر معًا.

أثناء القمر الجديد، تتماشى الشمس والقمر مع الأرض ويجتمع تأثيرهما في المد والجزر معًا، مما يؤدي إلى ارتفاع أكبر للمد وانحسار أكثر للجزر. يشار إلى هذا المد والجزر المضاف باسم المد والجزر الربيعي. يحدث المد والجزر الربيعي أيضًا أثناء اكتمال القمر. ونظرًا إلى أن دورة القمر تستغرق نحو 28 يومًا، يحدث المد والجزر الربيعي كلَّ أسبوعين.

عندما يكون القمر والشمس عند 90 درجة من بعضهما بعضًا، خلال مراحل الربع الأول أو الربع الثالث من القمر، فإن تأثيرهما لا يتضافر معًا، لذا فإن المد والجزر يكونان أقل تطرفًا. يشار إلى هذا المد بالمد الخائر؛ ويحدث المد الخائر أيضًا كل أسبوعين.

الشمس والقمر هما المؤثران الرئيسان في نمط المد والجزر على الأرض. ونظرًا إلى أن القمر له التأثير الأقوى بسبب قربه، فإن نمط المد والجزر الرئيس يتبع مراحل القمر.

بينما تدور الأرض كلَّ يوم، يتحرك القمر أيضًا في مداره. ويستغرق القمر نحو شهر «شهر قمري» أو 27.3 أيام لكي يدور حول الأرض. في يوم واحد، يتحرك القمر بمقدار 13 درجةً بالنظر إليه من القطب الشمالي (13 درجة في اليوم = 360 درجة / 27.3 أيام) عكس اتجاه عقارب الساعة. لذلك، بعد 24 ساعة من القمر الجديد، يكون القمر في 1/7 من الطريق إلى الربع الأول. يتبع انتفاخ المد الأكبر القمر، لذلك يجب أن تدور الأرض بمقدار 13 درجةً إضافيةً للوصول إلى المد مرة أخرى. ويستغرق هذا نحو 54 دقيقة (نحو 24 ساعة × 13 درجة/360 درجة).

وهكذا، فإن المد والجزر يتأخران نحو 54 دقيقة كلَّ يومٍ.

المضي قُدمًا

يوفر «المد والجزر الأوتوماتيكي» نموذجًا لـ«نظرية توازن» المد والجزر. تضع نظرية توازن المد والجزر الافتراضات التالية: يمكن تفسير المد والجزر بالميكانيكا السماوية، وعمق المحيط موحد، ولا توجد قارات، والأرض لا تدور، ويجري تجاهل الاحتكاك.

يعد «المد والجزر الأوتوماتيكي» نموذجًا تمهيديًّا جيدًا، ولكن المد والجزر الحقيقي في محيطات الأرض أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، يصل المد إلى سانتا كروز قبل ساعة تقريبًا من وصوله جسر البوابة الذهبية في سان فرانسيسكو، والذي يقع على بعد 75 ميلًا شمالًا، على الرغم من أن القمر يكون فوق كلا المكانين في الوقت نفسه. هذا التأخير ناتج من الاحتكاك؛ حيث يُسحَب المحيط مقابل الجرف القاري، وبفعل دفع «قوى كوريوليس» من دوران الأرض؛ لا تتوافق انتفاخات المد في المحيط دائمًا مع القمر.

توفِّر «نظرية ديناميكا» المد والجزر نموذجًا أكثر واقعية، ولكنها أيضًا لا تتنبأ بالمد والجزر بشكلٍ مثاليٍّ؛ فتأخذ نظرية ديناميكا المد والجزر مزيدًا من العوامل في الاعتبار. على سبيل المثال، دوران الأرض، وأشكال القارات ومواقعها، وقياسات أعماق المحيط غير المنتظمة، والاحتكاك.

يتجاهل نموذجنا أيضًا حقيقة أن القمر والأرض يشكلان نظامًا ثنائي الجسم. فلا يدور القمر حول الأرض ببساطة حول مركز كتلته؛ بدلاً من ذلك، يدور القمر والأرض حول بعضهما بعضًا حول مركز كتلة هذا النظام المكون من جسمين، والذي يسمى «مركز الثقل». وبينما يقع مركز الثقل داخل الأرض، فإنه ليس في مركز كتلة الأرض؛ فيدور مركز كتلة الأرض حول مركز الثقل لنظام الأرض والقمر ويبقى في مداره بواسطة جاذبية القمر.

قوة جاذبية الشمس على كتلة على سطح الأرض أكبر 180 مرةً من نظيرتها لكتلة القمر. ولكن المد والجزر ينشأ عن الاختلافات في الجاذبية. نظرًا إلى أن الشمس أبعد كثيرًا، فإن التغيُّر في قوة جاذبيتها عبر قطر الأرض يكون أصغر (مجرد 0.017%) مقارنةً بالتغير الناتج من القوة القمرية على المسافة نفسها، والذي يبلغ 6.7%. ونتيجة لذلك، يكون المد الشمسي أصغر من المد القمري. (في الحقيقة، 0.017% * 180 = 3.06%، مما يدل على أن تأثير الشمس يقارب نصف تأثير القمر).

نصائح للمعلمين

ارسم بيانات المد والجزر لتوليد الأسئلة التي يمكنك الإجابة عنها باستخدام «المد والجزر الأوتوماتيكي»:

• اختر موقعًا واجمع بيانات التنبؤ بالمد والجزر لرسمٍ بياني (يتضمن موقع مد وجزر المياه المالحة بيانات المد والجزر لعديدٍ من المناطق).

• اطبع أوراق فارغة من ورق الرسم البياني للمد والجزر.

• ارسم ما لا يقل عن أسبوعين من بيانات المد والجزر، ثم اربط النقاط البيانية بمنحنى سلس. إذا كانت لديك مجموعة كبيرة، قم بإقران الطلاب لرسم بيانات بضعة أيام.

• اِلصق جميع الرسوم البيانية معًا بترتيبٍ تسلسليٍّ؛ لإنشاء رسمٍ بيانيٍّ مستمرٍ لعدة أسابيع من تنبؤات المد والجزر.

• راقب هذا الرسم البياني الطويل ولاحظ ما يلي: يوجد مدان خلال 24 ساعة، وللمدِّ والجزرِ ارتفاعات مختلفة على مدار الشهر، والمد والجزر يصل متأخرًا ساعةً كل يوم.

يمكن شرح كل هذه الملاحظات باستخدام «المد والجزر الأوتوماتيكي». لجعل هذا الوجبة الخفيفة أكثر استنادًا إلى الاستفسار، ابدأ بالرسم البياني واطلب من الطلاب طرح أسئلة مما يلاحظونه في البيانات. إذا كان طلابك يكافحون من أجل فهم المد العالي المقابل للشمس والقمر، فقم بعمل عرض حي لرقصة المد والجزر لمساعدتهم على تصوُّرِ ذلك.

المصادر

"NOAA Tides and Currents," revised September 15, 2013, https://tidesandcurrents.noaa.gov

Brent A. Ford and P. Sean Smith, “The Bulge on the Other Side of the Earth,” in Physical Oceanography: Project Earth Science, (Arlington, VA: National Science Teachers Association, 1995), 141-145

Exploratorium, 2020 

by the Exploratorium 2020 ©