يجب أن يتضمن البحث عن قوة الطفو المؤثرة على الجسم بعض التعريفات المهمة، بما في ذلك ما هو الطفو؟ وماذا تسمي القوة التي تعمل على الجسد للارتفاع؟ “نظرا لأهمية قانون الطفو في حياتنا العملية، كما هو مطبق في بناء السفن والقوارب، ونلاحظه أيضا في قدرة الإنسان على ممارسة الرياضة. لذلك كان من الضروري معرفة قانونها ونصوصها وتطبيقاتها العملية.
جدول المحتويات
حدد الطفو
- تُعرف قوة الطفو باسم قوة الطفو وهي القوة المؤثرة على الأجسام المغمورة في جميع السوائل، بما في ذلك الماء.
- عندما يوضع جسم ما في سائل معين، فإن هذا السائل يبذل قوة تصاعدية تسمى قوة الطفو، وتتولد قوة الطفو عن طريق الضغط الذي يمارسه السائل على الجسم.
- نظرًا لأنه كلما زاد العمق، زاد الضغط، يكون الضغط على الجزء السفلي من الجسم دائمًا أكبر من الضغط على الجزء العلوي.
- لاحظ أن الطفو موجود دائمًا إذا كان الجسم يطفو أو يغرق في السائل.
- ومع ذلك، فإن ما إذا كان الجسم يغرق أم لا يعتمد على القوة المطبقة ومنطقة الجسم المغمورة في السائل، وكذلك كثافة السائل وكثافة الجسم المغمور.
- قوة الطفو تساوي الفرق بين الوزن الفعلي للجسم الخالي من أي سائل أو غاز والوزن الظاهري للجسم في الوسط السائل المحيط.
انظر أيضًا: البحث في العوامل التي تؤثر على التوازن الكيميائي مع المراجع
تعريف قوة الطفو التي تعمل على جسم ما
تُعرَّف قوة الطفو التي تعمل على جسم ما على أنها وزن السائل المزاح بواسطة الجسم المغمور.
عندما يكون حجم ووزن السائل المزاح مساويًا بشكل مباشر لحجم ووزن الجسم المغمور، فإن ما يلي هو مثال بسيط على ذلك:
- إذا غمرنا جسمًا على شكل مكعب بحجم متر مكعب واحد في الماء، فسوف يزيح هذا الجسم مترًا مكعبًا واحدًا من الماء، مع حدوث إزاحة الماء المكعب المغمور، وهنا قوة الطفو تساوي وزن نزح السائل.
- يعمل المكعب المغمور في الماء أيضًا على قوة انضغاطية بوزن عمود الماء الموجود فوق السطح العلوي للمكعب، وكلما زاد عمق المكعب المغمور في الماء، زاد وزن عمود الماء أعلاه، ما يؤدي إلى زيادة الضغط عليه.
كيف يسبح الجسم؟
- نجد أن الأجسام الثقيلة عادة ما تغرق وأن الأجسام الخفيفة تطفو عادة، بغض النظر عن شكلها أو حجمها أو نوع المادة.
- ومع ذلك، ستطفو الأشياء أو تغرق اعتمادًا على وزن الجسم وكثافته ومساحته المغمورة في السائل.
- لأنه إذا كان وزن الجسم المغمور أقل من وزن السائل المزاح وكان حجم السائل المزاح مساويًا لحجم الجسم المغمور، فيستنتج في هذه الحالة أن كثافة الجسم المغمور أقل من كثافة السائل، بحيث يسبح الجسم إلى النقطة التي يتساوى فيها وزنه مع وزن المناوشة السائلة.
- إذا كان وزن الجسم المغمور أكبر من وزن السائل المزاح، فسوف يغرق في السائل ولن يطفو.
حدد مصطلح الطفو
- يعبر مصطلح الطفو عن ظاهرة حركة الأجسام المختلفة في السوائل سواء كانت غازات أو سوائل.
- على سبيل المثال، يطفو الخشب على سطح الماء ويطفو منطاد في الهواء.
- ساعدت معرفة مفاهيم وقوانين الطفو على اكتشاف العديد من تطبيقات الحياة المستخدمة اليوم.
تابع أيضًا: البحث عن كيفية التحكم في غشاء البلازما عند تمرير المواد
قانون قوة الطفو المؤثرة على جسم ما
اشتق العالم أرخميدس أربع قواعد مهمة عند غمر الجسم كليًا أو جزئيًا في سائل معين.
هذه القواعد هي كما يلي:
- كمية دفع السائل تساوي وزن السائل المزاح. لذلك، إذا قمنا بوزن كمية السائل المحصورة بين الكمية على الارتفاع القديم والكمية عند الارتفاع الحالي، نجد أن كمية القوة الناتجة عن السائل تساوي مقدار وزنه.
- تعتمد القوة الناتجة عن السائل على كمية حجم السائل المزاح. لذلك عندما يوضع الجسم في سائل فإنه يعمل على رفع السائل ويصبح ارتفاعه الحالي أكبر من ارتفاعه القديم.
- هذه القوة الناتجة تتناسب طرديًا مع كثافة السائل، لذلك كلما زادت كثافة السائل، زادت قوة دفع الجسم.
- اتجاه قوة الطفو هذه تصاعدي، نتيجة سقوط الدفع على جسم السائل المغمور، بحيث يبدو أن الأجسام المغمورة فقدت بعضاً من وزنها.
تطبيقات قانون الطفو
صناعة السفن البحرية
- اعتمد العلماء بشكل مناسب على قانون الطفو في صناعة السفن البحرية لتمكينها من الإبحار بسلاسة ودون غرق، وذلك عن طريق زيادة تجويفها الداخلي بشكل كبير، حيث يساعد ذلك على تقليل كثافتها من كثافة الماء، مما يمنحها قدرة كبيرة على التحليق فوقهم.
قياس قيمة كثافة السائل غير المعروفة
- ساعد قانون الطفو العلماء على تطوير مقياس كثافة السوائل، وهو جهاز لقياس كثافة السوائل ذات الكثافة غير المعروفة بناءً على الأجسام المغمورة جزئيًا في السائل.
صناعة الغواصات
- ساعد قانون الطفو العلماء في تصميم الغواصات من خلال تصميم هيكل معدني به تجويف داخلي كبير جدًا.
- لتقليل كثافة الماء والسماح للغواصة بالغوص إلى أعماق كبيرة في الماء، تم إضافة خزانات المياه بالداخل.
- حتى تزداد كثافتها وتغرق في الماء، وللعودة إلى السطح، فإنها تفرغ خزانات المياه هذه.
قد تكون مهتمًا بـ: البحث عن تأثيرات تلوث المياه على النباتات
حكم أرخميدس
تقديم أرخميدس
- أحد أهم علماء العصور اليونانية القديمة.
- يرجع الفضل إليه في كتبه واختراعاته في اكتشاف العديد من القوانين وإنشاء العديد من الآلات الحديثة.
- درس الرياضيات والفلك والعلوم الطبيعية وهو فيزيائي ومهندس ومخترع.
- ولد عام 287 قبل الميلاد. في صقلية وتوفي عام 212 قبل الميلاد.
- طعنه جندي روماني أثناء حله لمشكلة حسابية رسمها في رمال منزله.
حكم أرخميدس
- اعتمد أرخميدس على قوانين الطفو الأربعة السابقة التي اشتق منها قاعدة مهمة جدًا عُرفت فيما بعد باسم قاعدة أرخميدس للأشياء المغمورة.
- تنص هذه القاعدة على أن الجسم مغمور كليًا أو جزئيًا في سائل.
- سوف يولد قوة تدفعه لأعلى، ويكون حجم هذه القوة مساويًا لوزن السائل المزاح.
حكم أرخميدس كما يلي:
- قوة الطفو لجسم مغمور بالكامل في سائل تساوي الفرق بين وزن الجسم في الهواء ووزن الجسم في السائل.
- أي يساوي حجم السائل المزاح مضروبًا في تسارع الجاذبية مضروبًا في كثافة ذلك السائل.
- قوة الطفو لجسم مغمور جزئيًا في سائل تساوي وزن الجسم في الهواء، وهو ما يعادل وزن السائل.
يمكن التعبير عن قاعدة أرخميدس رياضيًا على النحو التالي:
- thb = s 1 h1، أي THB: الاختلاف في كثافة الجسم عن كثافة السائل.
- يعني الحب: الطول.
- W1 تعني كثافة السائل الثابت.
- H1 تعني: حجم السائل.
مثال على حكم أرخميدس
غرقت سفينة في المحيط نتيجة اصطدامها بجبل جليدي. إذا كانت كثافة الجليد 920 كيلوجرامًا لكل متر مكعب، وكانت كثافة مياه البحر 1030 كيلوجرامًا لكل متر مكعب، فما قيمة نسبة الجزء المغمور من الجبل الجليدي إلى الجزء العائم منه؟
- الحل: بما أن thb = s1 h1، إذن h1 / love = s1 / s1.
- H1 / حبة = 920/1030 كجم لكل متر مكعب، أي
- H1 / الحب = 0.89، لذا فإن نسبة الجزء المغمور من الجبل الجليدي إلى الجزء العائم هي 89٪.
أثبت البحث في قوة الطفو التي تعمل على الجسم أهمية قانون الطفو في الماضي والحاضر، حيث تمكن العلماء من استخدام قانون الطفو لتطبيقه على العديد من الصناعات المتقدمة الحديثة.