يُعتبر الطفو من المواضيع الهامة في الفيزياء، ويدعو الأمر إلى دراسة بعض التعريفات الأساسية مثل: ما هو مفهوم الطفو؟ وما هي القوة التي تؤثر على الأجسام لتطفو؟ يُعد قانون الطفو ذا أهمية كبيرة في حياتنا اليومية، حيث يُستخدم في تصميم وبناء السفن والقوارب، إضافةً إلى دوره في قدرة الإنسان على السباحة. لذا، من الضروري فهم هذا القانون، نصه، وتطبيقاته في الحياة الواقعية.
تعريف قوة الطفو
- تُعرَّف قوة الطفو باللغة الإنجليزية بـ buoyancy force، وهي القوة المؤثرة على الأجسام المغمورة في السوائل مثل الماء.
- عند وضع جسم في سائل معين، يقوم هذا السائل بتوليد قوة صاعدة تُعرف بقوة الطفو، والتي تنشأ نتيجة الضغط الذي يمارسه السائل على الجسم.
- كلما زاد العمق، زاد الضغط، مما يعني أن الضغط الواقع على الجزء السفلي للجسم يكون دائمًا أكبر من الضغط الواقع على الجزء العلوي.
- قوة الطفو موجودة دائمًا سواء كان الجسم يطفو على السائل أو يغرق فيه.
- تعتمد حالة غرق الجسم أو طفوّه على قوتها، ومساحة جسمه المغمور في السائل، بالإضافة إلى كثافة السائل وكثافة الجسم المعني.
- بالتالي، تكون قوة الطفو مساوية للفارق بين الوزن الحقيقي للجسم، وهو الوزن دون تأثير أي مائع، ووزن الجسم الظاهري في هذا الوسط المائي.
تعريف قوة الطفو المؤثرة في الجسم
تُعرَّف قوة الطفو المؤثرة في الجسم بأنها وزن السائل المُزال بواسطة الجسم المغمور.
حيث يتساوى حجم ووزن السائل المزاح مع حجم ووزن الجسم المغمور. إليك مثال بسيط توضيحي:
- عند غمر جسم مكعب حجمه متر مكعب واحد في الماء، سيستبدل هذا الجسم متر مكعب من الماء، مما يعني أن قوة الطفو تساوي وزن السائل المزاح.
- بالإضافة إلى ذلك، يتعرض المكعب الغارق في الماء لقوة ضغط نتيجة وزن عمود الماء الواقع فوقه. وكلما زاد عمق المكعب، زاد وزن عمود الماء فوقه، مما يؤدي إلى زيادة الضغط.
كيفية طفو الأجسام
- عادةً ما تغرق الأجسام الثقيلة بينما تطفو الأجسام الخفيفة، بغض النظر عن شكلها أو حجمها أو المادة المصنوعة منها.
- ومع ذلك، يعتمد طفو الأجسام أو غرقها على وزنها وكثافتها ومساحة جسمها المغمور في السائل.
- إذا كان وزن الجسم المغمور أقل من وزن السائل المزاح، وكان حجم السائل المزاح يساوي حجم الجسم، فهذا يعني أن كثافة الجسم أقل من كثافة السائل، مما يسمح للجسم بالطفو حتى تُساوي قوة الطفو وزنه.
- على النقيض، إذا كان وزن الجسم أكبر من وزن السائل المزاح، فإنه سيغرق.
مفهوم الطفو
- يُعبر مصطلح الطفو عن ظاهرة حركة الأجسام المختلفة في الموائع، سواء كانت غازات أو سوائل.
- كمثال، طفو الخشب على سطح الماء وطفو المنطاد في الهواء.
- ساعد التعرف على مفاهيم وقوانين الطفو في اكتشاف العديد من التطبيقات الحياتية الحديثة.
تابع أيضًا:
قانون قوة الطفو المؤثرة على الأجسام
قام العالم أرخميدس بتطوير أربع قواعد رئيسية عند الغمر الكلي أو الجزئي لجسم داخل سائل معين.
وهذه القواعد هي كالتالي:
- مقدار قوة دفع السائل يساوي وزن السائل المزاح. عند قياس كمية السائل المحصور بين الارتفاع القديم والارتفاع الحالي، نلاحظ أن القوة الناتجة تعادل وزن السائل.
- تتوقف قوة السائل على حجم السائل المزاح. عند إدخال جسم في سائل، يعمل على رفع السائل، مما يؤدي إلى زيادة ارتفاعه الحالي.
- تعتمد هذه القوة على كثافة السائل، لذا كلما زادت كثافة السائل، زادت قوة دفع الجسم.
- اتجاه قوة الطفو يكون لأعلى نتيجة وجود ضغط على الجسم المغمور، مما يعطي إحساسًا بفقدان الوزن.
تطبيقات على قانون قوة الطفو
صناعة السفن البحرية
- استفاد العلماء من قانون الطفو في تصميم السفن البحرية التي تستطيع الإبحار دون غرق، وذلك بزيادة حجم التجاويف الداخلية لتقليل الكثافة مقارنة بكثافة الماء، مما يعزز قدرتها على الطفو.
قياس كثافة السوائل غير المعروفة
- قم القانون بتزويد العلماء بأداة تُدعى الهيدروميتر، والتي تُستخدم لقياس كثافة السوائل مجهولة الكثافة بناءً على قاعدة الأجسام المغمورة جزئيًا في السائل.
تصنيع الغواصات
-
استفاد العلماء من قانون الطفو لتصميم الغواصات من خلال بناء هيكل معدني بتجويف داخلي كبير.
- يُساعد ذلك على تقليل كثافتها بالنسبة للماء، ويسمح للغواصة بالغوص في أعماق كبيرة. ولتحقيق ذلك، تُضاف خزانات مائية إلى داخل الغواصة.
- لزيادة كثافتها والغوص، تُفرغ الغواصة تلك الخزانات من الماء للعودة إلى السطح مرة أخرى.
قاعدة أرخميدس
نبذة عن العالم أرخميدس
-
أرخميدس هو أحد أبرز العلماء من العصور اليونانية القديمة.
- حظي بشهرة كبيرة لدراساته واكتشافاته التي أثرت في العديد من القوانين والأدوات الحديثة.
- درس الرياضيات والفلك والطبيعة، وهو فيزيائي ومهندس ومخترع.
-
وُلد في عام 287 قبل الميلاد في جزيرة صقلية، وتوفي في العام 212 قبل الميلاد.
- قُتل على يد أحد جنود الرومان أثناء حلّه لقضية رياضية رسمها على الرمال في منزله.
قاعدة أرخميدس
- استند أرخميدس على القواعد الأربعة للطوفان واستخلص منها قاعدة هامة تُعرف بقاعدة أرخميدس للأجسام المغمورة.
- تنص هذه القاعدة على أنه عند غمر جسم في سائل، فإن قوة ستُنتج لدفعه لأعلى، وهذه القوة تعادل وزن السائل المزاح.
يمكن التعبير عن قانون قاعدة أرخميدس على النحو التالي:
-
قوة الطفو للجسم المغمور كليًا في السائل تساوي الفرق بين وزنه في الهواء ووزنه في السائل.
- أي تساوي حجم السائل المزاح مضروبًا في تسارع الجاذبية الأرضية والكثافة لهذا السائل.
- قوة الطفو للجسم المغمور جزئيًا تساوي وزن الجسم في الهواء المعادل لوزن السائل.
يمكن التعبير عن قاعدة أرخميدس بصيغة رياضية كالتالي:
- ثب حب=ث1 ح1، حيث تعني ثب: فرق كثافة الجسم عن كثافة السائل.
- حب تشير إلى حجم الجسم.
- ث1 تمثل كثافة السائل الثابت.
- ح1 تعني حجم السائل.
مثل تطبيقي على قاعدة أرخميدس
تعرضت سفينة للغرق في المحيط نتيجة اصطدامها بجبل جليدي، إذا كانت كثافة الجليد تبلغ 920 كيلو جرام لكل متر مكعب وكثافة ماء المحيط 1030 كيلو جرام لكل متر مكعب، فما هي النسبة بين الجزء المغمور من الجليد والجزء الطافي؟
- الحل: بما أن ثب حب=ث1 ح1، إذًا ح1/ حب=ثب/ ث1.
- عند حساب ح1/ حب=920 / 1030 كيلو جرام لكل متر مكعب، تكون النتيجة.
- ح1/ حب=0.89، وبالتالي فإن نسبة الجزء المغمور من الجليد إلى الجزء الطافي منه هي 89%.
