الوزن الظاهري للجسم المغمور في الماء اقل من وزنه الحقيقي
في وقت من الأوقات في الزمن البعيد، كان هناك عالم يدعى أرخميدس، وهو عالم يوناني، كان يستحم وقد لاحظ أثناء استحمامه أن مقدار معين من الماء قد فاض فوق حافة الحوض، وهنا اكتشف أنه إذا كان وزن الجسم الموضوع في الماء أقل من وزن الماء المزاح، فسوف يطفو الجسم، وهذا ما تم تعريفه باسم الطفو أو مبدأ أرخميدس.
- اكتشف أرخميدس أيضاً أنه إذا وضعنا سفينة مصنوعة من المعدن في الماء، فإنها ستظل أخف من كمية الماء التي تزيحها، لأنها ليست صلبة بما يكفي، حيث يعتبر أن الجزء السفلي من السفينة، والذي يدعى بدن السفينة، هو أجوف، ولذلك فهو يضيف دعماً للسفينة دون إضافة أي كتلة أخرى.
- بالإضافة إلى ذلك أن السفينة عندما تكون محملة بوزن زائد سوف تغرق، لأن هناك حد أقصى للوزن الذي يمكن أن تتحمله، وذلك قبل أن يزيد وزن السفينة عن كمية المياه التي تزيحها.
- وإذا كانت السفينة تحمل وزن زائد من المياه أثناء العاصفة، سوف يتم ضخ تلك المياه إلى خارج السفينة مرة أخرى إلى المحيط، وبذلك سوف تصبح السفينة آمنة مرة أخرى ولن تغرق.
متى يطفو الجسم على سطح الماء ؟
الطفو من المواضيع المهمة التي يجب معرفتها، لأنها تعتبر من أهم القوانين الفيزيائية والتي شرحها لنا العالم اليوناني أرخميدس، عندما اكتشفها أثناء استحمامه، ثم عرضها لنا، وشرحلنا أهميتها من أجل العلم بها وكيفية استخدامها إذا تعرضنا للغرق سواء كنا نسبح في البحر أو كنا في سفينة ما.
- عندما تقل كثافة الجسم عن كثافة المياه، سوف يطفو الجسم على سطح المياه، فتعمل المياه على دفع الجسم للأعلى، كما تقوم بالاستمرار في دفع الجسم مع تزايد الحجم الخاص بالجسم المتواجد تحت المياه.
- كما يتعرض الجسم للغرق إذا كانت قوة الوزن إلى الأسفل أكبر من قوة دفع المياه إلى الأعلى للجسم.
ما هو الطفو؟
تعتبر من الأمور المؤثرة على طفو الأجسام هي كثافتها على الأسطح السائلة، فإذا كانت كثافة الجسم تقل عن كثافة السائل، فغنها بذلك سوف تطفو على سطحه، بالإضافة إلى تعرضها للغوص فيه إذا كانت كثافة الجسم أكبر من كثافة السائل.
- مثال لما سبق إذا كان الزيت يطفو على سطح المياه، فذلك يدل على أنه يتمتع بكثافة قليلة عن كثافة المياه، فكثافة المياه هي 1 جم|سم3.
- يتكون الجسم الصلب من قسمين هما:
- جسم مصمت: فهو يطفو على المساه إذا كان كثافته أقل من كثافة المياه، مثل الخشب، ومن الممكن أن يغمر في المياه إذا كان كثافته أكبر من كثافة المياه، مثل الحديد.
- جسم مجوف: مثل السفينة
تعريف قانون أرخميدس للطفو
يتم تطبيق مبدأ أرخميدس على الأجسام التي تستطيع قوى ناتجة من السوائل المحيطة بها أن تؤثر عليها، وينص مبدأ أرشميدس للطفو على:
- إن الجسم المغمور جزئياً أو كلياً في سائل تؤثر عليه قوة صاعدة تدفعه للأعلى تسمى قوة الطفو والتي تساوي وزن السائل الذي يزيحه الجسم عند غمره.
- تقوم هذه القوة من تقليل الوزن الصافي للجسم المغمور، وهذا عن طريق غمر الجسم في الماء، فذلك يشعر بقوة الوزن الناتجة عن الجاذبية المؤثرة عليه فقط، فيشعر الجسم بانخفاض وزنه، فيصبح وزنه الظاهر كالتالي:
- وزن الجسم الظاهر= وزن الجسم الفعلي – قوة الطفو.
معادلة قانون أرخميدس
من خلال هذا القانون الفيزيائي الأتي تعطي قوة الطفو على الجسم المغمور بالسائل، وهي:
- قوة الطفو= كثافة السائل × ثابت تسارع الجاذبية × حجم الجسم المغمور.
- يمكن ذلك تمثيله بالموز كالتالي: ق ط = ث × ج × ح.
- وبالإنجليزية: v × g × p = fb
- حيث تشير هذه الرموز إلى:
- ق ط (fb): قوة الطفو أو الدفع، وتقاس بوحدة نيوتن.
- ث (p): وتقاس بوحدة الكيلو جرام لكل متر مكعب.
- ج (g): تشير إلى ثابت تسارع الجاذبية الأرضية، ويساوي 908 متر لكل ثانية تربيع.
- ح (v): حجم الجسم المغمور، ويقاس بوحدة متر مكعب.
كيف اكتشف أرخميدس مبدأ الطفو؟
تم اكتشاف العالم اليوناني أرخميدس لقانون الطفو من خلال تكليفه من الملك هيرون، بأن يقوم بإثبات إذا كان التاج الخاص به مصنوع من الذهب الخالص كما يقول الصائغ، وليس فيه بعض من الفضة، فقام أرخميدس بأخذ بقطعة من الذهب وقطعة أخرى من الفضة ووزنهما، مساوياً لوزن التاج، ثم أحضر إناءً وغمره بالماء.
ثم قام بوضع الفضة في داخل الإناء، وقام بقياس مقدار الماء الذي أزاحته الفضة، ثم أعاد غمر الإناء بالماء وقام بوضع قطعة الذهب داخله، فوجد أن:
- قام الذهب بإزاحة كمية أقل من الماء مما أزاحته قطعة الفضة.
- قام بوضع التاج داخل الإناء وغمرها بالمياه، فوجد أن التاج أزاح كمية أكثر من الماء عما أزاحته قطعة الذهب.
- وبذلك أكتشف أن التاج ليس من الذهب الخالص كما قال الصائغ، ومُستخدم فيه بعض الفضة.
- حيث اكتشف وقتها مبدأ الطفو.
ما هي الكثافة
تعتبر الكثافة هي كمية المواد المتواجدة بحجم معين من المادة، حيث تقاس الكثافة باستخدام وحدة جرام لكل سنتيمتر مكعب، وهي التي تشغل حيز من الفراغ.
- تتميز المواد ذات الكثافة المرتفعة بجزيئتها القريبة والمتراصة جنباً إلى جنب، ولكن المواد ذات الكثافة أقل تتميز بجزيئتها البعيدة عن بعضها البعض.
- تختلف كثافة الجسام باختلاف أنواعها، مثل الذهب فهو يحتوي على كثافة عالية، إما الخشب فيحتوى على كثافة قليلة.
- ترتبط الكثافة بمجموعة من العوامل، وهي كالتالي:
- العامل الأول: وهي الكتلة، وهي تعتبر كميات المواد المتواجدة بالجسم، والتي يتم قياسها باستخدام وحدة جم أو كجم، أو قياسها على كفتي الميزان، فكلما زادت الكتلة الموجودة بالجسم زدات الكثافة أيضاً.
- العامل الثاني: هو الحجم، وهو يعتبر الحيز الذي يشغله الجسم، ويتم قياسه عن طريق وحدة اللتر أو الملي أو بالسنتيمتر مكعب.
تصنيف الكثافة
هناك العديد من تصنيفات الكثافة وهي كالأتي:
الكثافة الخاصة بالتيار
- وهي تعمل على القيام بفحص تركيزات الشحنات بالتيار.
الكثافة الخاصة بالكتلة
- وهي التي عن طريقها يتم قياس تركيزات المادة في الجسم.
الكثافة الخاصة بالطاقة
- وهي تعبر عن مقادير الطاقات المتاحة.
- وهي الكثافة الخاصة بكمية القوة.
الكثافة الخاصة بالشحنة
- وهي التي تقوم بقياس تركيزات الشحنات بالملف.
الكثافة الخاصة بالهواء
- تعمل على قياس تركيزات الهواء بالفراغ.
الكثافة السطحية الخاصة بالجسم
- وهي التي تقاس للوحدة الخاصة بالمساحة.
الكثافة النسبية للجسم
- وهي التي تقوم بقياس الشكل المسبي الخاص بالمواد.
الكثافة الطولية للجسم
- وهي التي تقيس الوحدة الخاصة بالطول.
الكثافة النوعية للجسم
- للنوع الواحد كثافة معينة.
تطبيقات قانون أرخميدس في الواقع
من أبرز هذه التطبيقات ما يلي:
- الجبال الجليدية
- وبسبب قوة الطفو تطفو الجبال الجليدية على الماء، حيث تساوي القوة الدافعة للجليد وزن الماء الذي قامت بإزاحته، فترتفع إلى أعلى وتطفو على سطح المياه.
- الأسماك
- يعتبر للأسماك مثانة سباحة، تستطيع من خلالها أن تتحكم في وزنها، وهذا ما يساعدها على الطفو، فعند امتلاء مثانتها بالهواء يزداد حجمها وترتفع عن سطح الماء وتطفو.
