قوة الطفو المؤثرة في الجسم لابد أن يشتمل على بعض التعريفات الهامة ومنها ما هو الطفو؟ قوة الطفو المؤثرة في الجسم القوة المؤثرة على جسم لكي يطفو؟
وذلك لأهمية قانون الطفو في حياتنا العملية، حيث يستخدم عند صناعة السفن والقوارب، وكذلك نلاحظه في قدرة الإنسان على ممارسة السباحة، فكان من الضروري العلم بقانونه ونصه وتطبيقاته العملية.
المحتويات
التعريف بقوة الطفو
- تعرف قوة الطفو بالإنجليزية: buoyancy force، وهي عبارة عن القوة المؤثرة التي تقع على الأجسام المغمورة في جميع السوائل ومنها الماء.
- عند وضع جسم ما في سائل معين، يقوم هذا السائل ببذل قوة صاعدة تسمى قوة الطفو، حيث تتكون قوة الطفو نتيجة الضغط الواقع من السائل على الجسم.
- حيث أنه كلما زاد العمق كلما زاد الضغط، فإن الضغط الواقع على الجزء السفلي للجسم يكون دائماً أكبر من الضغط الواقع على الجزء العلوي له.
- يجب ملاحظة أن قوة الطفو موجودة دائمًا، في حالة ما كان الجسم يطفو على السائل أو يغرق فيه.
- لكن يعتمد غرق الجسم أو عدم غرقه على كمية القوة وعلى مساحة الجسم المغمور داخل السائل، كما يعتمد على مدى كثافة السائل وكذلك كثافة الجسم المغمور.
- هنا تكون قوة الطفو تساوي الفرق ما بين وزن الجسم الحقيقي وهو خالي من أي مائع سواء كان سائل أو غازي، وبين وزن الجسم الظاهري في هذا الوسط المائع المحيط به.
التعريف بقوة الطفو المؤثرة في جسم
تعرف قوة الطفو المؤثرة في جسم بأنها مقدار وزن السائل الذي تمت إزاحته بواسطة الجسم المغمور.
حيث يتساوى طرديًا حجم و وزن السائل المزاح مع حجم ووزن الجسم المغمور، وفيما يلي مثال بسيط على ذلك:
- إذا قمنا بغمر جسم على شكل مكعب حجمه واحد متر مكعب في الماء، فإن هذا الجسم سيعمل على إزاحة ما مقداره واحد متر مكعب من الماء، حيث سيحصل مكان الماء المزاح المكعب المغمور، وهنا تكون قوة الطفو تساوي مقدار وزن السائل المزاح.
- كما تؤثر على المكعب المغمور داخل الماء قوة ضغط، وذلك نتيجة وزن عمود الماء الذي يقع فوق سطح العلوي للمكعب، وكلما زاد عمق المكعب المغمور داخل الماء كلما زاد وزن عمود الماء فوقه، مما يؤدي لزيادة الضغط الواقع عليه.
كيف يطفو الجسم
- نلاحظ أن الأجسام الثقيلة عادةً ما تغرق وأن الأجسام الخفيفة عادةً ما تطفو، وذلك بغض النظر عن شكلها أو حجمها أو نوع المواد الداخلة في صنعها.
- لكن الأجسام تطفو أو تغرق بناءًا على وزن وكثافة ومساحة الجسم المغمور في السائل.
- حيث أنه إذا كان وزن الجسم المغمور أقل من وزن السائل المزاح، وكان حجم السائل المزاح مساوي لحجم الجسم المغمور، في هذه الحالة يتم استنتاج أن كثافة الجسم المغمور أقل من كثافة السائل، لذلك هذا فإن الجسم سيطفو إلى النقطة التي يصبح فيها وزنه يساوي وزن السائل المزاح.
- أما إذا كان وزن الجسم المغمور أكبر من وزن السائل المزاح فإنه سيغرق في السائل ولن يطفو.
التعريف بمصطلح الطفو
- يعبّر مصطلح الطفو عن ظاهرة تحرّك الأجسام المختلفة في الموائع سواء كانت غازات أو سوائل.
- مثال على ذلك طفو الخشب على سطح الماء، وطفو المنطاد في الهواء.
- قد ساعد التعرف على مفاهيم وقوانين الطفو على اكتشاف الكثير من التطبيقات الحياتية المستخدمة في وقتنا الحالي.
قانون قوة الطفو المؤثرة على جسم ما
قام العالم أرخميدس باستنتاج أربعة قواعد هامة عند الغمر الكلي أو الجزئي لجسم داخل سائل معيّن.
هذه القواعد كالآتي:
- أن مقدار قوّة دفع السائل تكون مساوية لوزن السائل المزاح، فعندما نقوم بوزّن كمية السائل المحصورة بين مقدار الارتفاع القديم ومقدار الارتفاع الحالي، فإنّنا نلاحظ أنّ مقدار القوة الناتجة من السائل مساوية لمقدار وزنه.
- أن مقدار القوة الناتجة من السائل تعتمد على مقدار حجم السائل المزاح، ولذلك عند وضع جسم داخل سائل فإنّه يعمل على رفع السائل ويصبح ارتفاعه الحالي أكبر من ارتفاعه القديم.
- تتناسب هذه القوة الناتجة طردياً مع مقدار كثافة السائل، وبالتالي فإنه كلما زادت كثافة السائل زادت قوة دفع الجسم.
- اتّجاه قوة الطفو هذه يكون للأعلى، وذلك نتيجة وجود قوة دفع تقع على الجسم المغمور من السائل، فتبدو الأجسام المغمورة وكأنّها فقدت جزء من وزنها.
تطبيقات على قانون قوة الطفو
صناعة السفن البحرية
- اعتمد العلماء على قانون الطفو في صناعة سفن بحرية بالشكل الملائم
- لكي تتمكن من الإبحار بسلاسة وبدون غرق، وتم ذلك بواسطة زيادة
- حجم التجويف الداخلي لها بدرجة كبيرة، حيث يساعد ذلك في تقليل كثافتها عن كثافة الماء، مما يمنحها قدرة كبيرة على الطفو فوقها.
قياس قيمة كثافة السوائل الغير معلومة
- ساعد قانون الطفو العلماء على تصميم جهاز الهيدروميتر،
- وهو جهاز يستخدم لقياس قيمة كثافة السوائل مجهولة الكثافة لدى العلماء، وذلك بناءًا على قاعدة الأجسام المغمورة جزئياً في السائل.
صناعة الغواصات
- ساعد قانون الطفو العلماء في صناعة الغواصات عن طريق تصميم هيكل
- معدني بتجويف داخلي كبير جداً، لخفض كثافتها كثافة الماء، ولكي
- تستطيع الغواصة الغوص لأعماق كبيرة في الماء تمّ إضافة خزّانات ماء بداخلها.
- حتى تزداد كثافتها وتغوص في الماء، ولكي تعود إلى السطح مرة أخرى تقوم بإفراغ تلك الخزانات من الماء.
قاعدة أرخميدس
التعريف بالعالم أرخميدس
- واحد من أهم علماء العصور اليونانية القديمة الكلاسيكية،
- ويعود الفضل له في كتبه واختراعاته لاكتشاف العديد من القوانين وصناعة الكثير من الآلات الحديثة.
- قام بدراسة علم الرياضيات، وعلم الفلك، وعلم الطبيعة، وهو فيزيائي، ومهندس، ومخترع.
- ولد في العام 287 قبل الميلاد بجزيرة صقلية، وتوفي في العام 212 قبل الميلاد،
- مقتولًا بطعنه من أحد جنود الرومان أثناء حله لمسألة رياضية كان رسمها على الرمال داخل منزله.
قاعدة أرخميدس
- اعتمد أرخميدس على قوانين الطفو الأربعة السابقة، حيث استنتج
- منها قاعدة هامة جداً عُرفت فيما بعد بقاعدة أرخميدس للأجسام المغمورة.
- تنص هذه القاعدة على أنّه خلال غمر جسم ما في سائل بشكل كلي أو جزئي
- ، سوف تنتج قوة تقوم بدفعه إلى الأعلى، ومقدار هذه القوة يكون مساوي لوزن السائل المزاح.
قانون قاعدة أرخميدس هو التالي:
- للأجسام المغمورة كلياً في السائل تساوي الفرق بين
- وزن الجسم في الهواء ووزن الجسم في السائل، أي تساوي
- حجم السائل المزاح مضروب في تسارع الجاذبية الأرضية مضروب في كثافة هذا السائل.
- الطفو للأجسام المغمورة جزيئاً في السائل تساوي وزن الجسم في الهواء الذي يساوي وزن السائل.
يُمكن التعبير عن قاعدة أرخميدس بصيغة رياضية كالتالي:
- ثب حب=ث1 ح1، تعني ثب: فرق كثافة الجسم عن كثافة السائل.
- حب: حجم الجسم.
- ث1: كثافة السائل الثابت.
- ح1: حجم السائل.
مثال على قاعدة أرخميدس
غرقت سفينة في المحيط نتيجة اصطدامها بجبل جليد، فإذا كانت كثافة
الجليد تُساوي 920 كيلو جرام لكل متر مكعب، وكثافة ماء المحيط تُساوي
1030 كيلو جرام لكل متر مكعب، فيما تبلغ قيمة نسبة الجزء المغمور من جبل الجليد إلى الجزء الطافي منه ؟.
- الحل: بما أن ثب حب=ث1 ح1، إذًا ح1/ حب=ثب/ ث1.
- ح1/ حب=920 / 1030 كيلو جرام لكل متر مكعب، إذًا
- ح1/ حب=0.89، فتكون نسبة الجزء المغمور من جبل الجليد إلى الجزء الطافي منه هي 89%.
