يجب أن يتضمن إيجاد قوة الطفو المؤثرة على الجسم بعض التعريفات المهمة، بما في ذلك ما هو الطفو؟ وما هي القوة التي تؤثر على الجسم لكي يطفو؟ ونظراً لأهمية قانون الطفو في حياتنا العملية، حيث يتم استخدامه في بناء السفن والقوارب، كما نراه في قدرة الإنسان على ممارسة السباحة، كان من الضروري معرفة قانونه ونصه وتطبيقه العملي.
تعريف قوة الطفو
- تُعرف قوة الطفو باسم قوة الطفو، وهي القوة التي تؤثر على الأجسام المغمورة في جميع السوائل، بما في ذلك الماء.
- عندما يوضع جسم ما في سائل، يبذل السائل قوة تصاعدية تسمى قوة الطفو. تنتج قوة الزفير عن طريق ضغط السائل على الجسم.
- كلما زاد العمق، كلما زاد الضغط، يكون الضغط على الجزء السفلي من الجسم أكبر دائمًا من الضغط على الجزء العلوي منه.
- وتجدر الإشارة إلى أن قوة الدفع موجودة دائمًا في الحالة التي يطفو فيها الجسم على السائل أو يغرق فيه.
- لكن ما إذا كان الجسم يغرق أم لا يعتمد على حجم القوة ومساحة الجسم المغمورة في السائل، وكذلك على كثافة السائل، وكذلك على كثافة الجسم المغمور.
- هنا تكون قوة الطفو مساوية للفرق بين الكتلة الفعلية للجسم، والتي لا تحتوي على أي سائل، سواء أكان سائلًا أم غازيًا، والكتلة الظاهرية للجسم في ذلك الوسط السائل الذي يحيط به.
أنظر أيضا: دراسة العوامل التي تؤثر على التوازن الكيميائي مع المراجع
تعريف قوة الطفو المؤثرة على جسم
تُعرَّف قوة الطفو المؤثرة على جسم ما على أنها وزن السائل الذي أزاحه الجسم المغمور.
إذا كان حجم ووزن السائل المزاح مساويين بشكل مباشر لحجم ووزن الجسم المغمور، فإن ما يلي هو مثال بسيط على ذلك:
- إذا غمرنا جسمًا مكعبًا بحجم متر مكعب واحد في الماء، فإن هذا الجسم سيُزيح مترًا مكعبًا واحدًا من الماء، حيث سيتم إزاحة الماء المكعب المغمور، وهنا تكون قوة الدفع مساوية لوزن السائل المزاح .
- يؤثر المكعب المغمور في الماء أيضًا على قوة الضغط بسبب وزن عمود الماء فوق السطح العلوي للمكعب، وكلما زاد عمق المكعب في الماء، زاد وزن عمود الماء فوقه، مما يتسبب في حدوث زيادة الضغط عليها.
كيف يطفو الجسد؟
- نلاحظ أن الأجسام الثقيلة تغرق عمومًا وأن الأجسام الخفيفة تطفو بشكل عام، بغض النظر عن شكلها أو حجمها أو نوع المادة.
- لكن الأجسام تطفو أو تغرق اعتمادًا على وزن الجسم وكثافته ومساحته المغمورة في السائل.
- لأنه إذا كانت كتلة الجسم المغمور أقل من كتلة السائل المزاح، وكان حجم السائل المزاح مساويًا لحجم الجسم المغمور، في هذه الحالة يتم التوصل إلى استنتاج حول انخفاض كثافة السائل المغمور. هيئة. من كثافة السائل، بحيث يطفو الجسم إلى النقطة التي يصبح فيها وزنه مساويًا لوزن الجذع السائل.
- إذا تجاوز وزن الجسم المغمور وزن السائل المزاح، فسوف يغرق في السائل ولن يطفو.
حدد الطفو
- مصطلح الطفو يعبر عن ظاهرة حركة الأجسام المختلفة في السوائل سواء كانت غازية أو سائلة.
- على سبيل المثال، شجرة تطفو على سطح الماء، ويطفو بالون في الهواء.
- ساعدت معرفة مفاهيم وقوانين الطفو على اكتشاف العديد من تطبيقات الحياة المستخدمة اليوم.
تتمة أيضًا: دراسة عن كيفية تحكم غشاء البلازما بمرور المواد
قانون قوة الطفو المؤثرة على جسم
اشتق العالم أرخميدس أربع قواعد مهمة عند غمر الجسم كليًا أو جزئيًا في سائل معين.
هذه القواعد هي كما يلي:
- كمية سحب السائل تساوي وزن السائل المزاح، لذلك عندما نزن كمية السائل بين الارتفاع القديم والارتفاع الحالي، نلاحظ أن كمية القوة الناتجة عن السائل تساوي وزنه.
- يعتمد حجم القوة التي ينتجها السائل على حجم السائل المزاح، لذلك عندما يوضع الجسم في السائل، فإنه يعمل على رفع السائل ويصبح ارتفاعه الحالي أكبر من ارتفاعه القديم.
- هذه القوة الكلية تتناسب طرديًا مع كثافة السائل، لذلك كلما زادت كثافة السائل، زاد السحب على الجسم.
- يتم توجيه قوة الطفو هذه إلى أعلى نتيجة للصدمة التي تتعرض لها جسم سائل مغمور، لذلك يبدو أن الأجسام المغمورة فقدت جزءًا من وزنها.
تطبيق قانون الطفو
صناعة بناء السفن البحرية
- اعتمد العلماء على قانون الطفو لجعل السفن البحرية بطريقة مناسبة لتكون قادرة على الطفو بسلاسة ودون غرق، وتم ذلك عن طريق زيادة حجم تجويفها الداخلي بشكل كبير، حيث يساعد ذلك على تقليل كثافتها من كثافة الماء، مما يمنحهم قدرة أكبر على الطفو فوقهم.
قياس قيمة غير معروفة لكثافة السائل
- ساعد قانون الطفو العلماء على تطوير مقياس كثافة السوائل، وهو أداة تستخدم لقياس كثافة السوائل ذات الكثافة غير المعروفة بناءً على الأجسام المغمورة جزئيًا في السائل.
صناعة تحت الماء
- ساعد قانون الطفو العلماء في بناء غواصات من خلال تصميم هيكل معدني به تجويف داخلي كبير جدًا.
- لتقليل كثافتها، وكذلك للسماح للغواصة بالغوص إلى أعماق أكبر، تم إضافة خزانات المياه بداخلها.
- حتى تزداد كثافتها وتغرق في الماء، وتعود إلى السطح مرة أخرى، فإنها تفرغ أوعية 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 وكان فيزيائيًا ومهندسًا ومخترعًا.
- ولد عام 287 قبل الميلاد في صقلية وتوفي عام 212 قبل الميلاد.
- طعنه جندي روماني حتى الموت بينما كان يحل مشكلة رياضية كان قد رسمها في الرمال في منزله.
حكم أرخميدس
- اعتمد أرخميدس على القوانين الأربعة السابقة للطفو، والتي اشتق منها قاعدة مهمة جدًا، عُرفت فيما بعد باسم قاعدة أرخميدس للأشياء المغمورة.
- تنص هذه القاعدة على أنه إذا كان الجسم مغمورًا كليًا أو جزئيًا في سائل.
- ستخلق قوة تدفعها لأعلى، حجم هذه القوة يساوي وزن السائل المزاح.
حكم أرخميدس كما يلي:
- إن طفو جسم مغمور بالكامل في سائل يساوي الفرق بين وزن الجسم في الهواء ووزن الجسم في السائل.
- أي أنه يساوي حجم السائل المزاح مضروبًا في تسارع الجاذبية مضروبًا في كثافة هذا السائل.
- إن طفو جسم مغمور جزئيًا في سائل يساوي وزن الجسم في الهواء، والذي يساوي وزن السائل.
يمكن التعبير عن قاعدة أرخميدس رياضيًا على النحو التالي:
- thb = s 1 h1، مما يعني أنه الفرق بين كثافة الجسم وكثافة السائل.
- يعني الحب: حجم الجسم.
- يرمز W1 إلى كثافة السائل الثابت.
- H1 تعني: حجم السائل.
مثال على حكم أرخميدس
غرقت سفينة في المحيط نتيجة اصطدامها بجبل جليدي، فإذا كانت كثافة الجليد 920 كيلوجرامًا لكل متر مكعب، وكانت كثافة مياه المحيط 1030 كيلوجرامًا لكل متر مكعب، فما نسبة الجزء المغمور من الجبل الجليدي إلى الجزء العائم؟
- 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٪.
أثبتت دراسة قوة الطفو المؤثرة على الجسم أهمية قانون الطفو في الماضي والحاضر، حيث تمكن العلماء من استخدام قانون الطفو لتطبيقه على العديد من الصناعات المتقدمة اليوم.