تطبيقات عملية لقاعدة أرخميدس
قاعدة أرخميدس ليست مجرد نظرية فيزيائية مجردة، بل لها تطبيقات عملية واسعة النطاق تؤثر في حياتنا اليومية وفي مجالات مختلفة من العلوم والهندسة. من خلال فهم هذه القاعدة، يمكننا تصميم أدوات وتقنيات مبتكرة، وشرح ظواهر طبيعية متنوعة. فيما يلي استعراض لأبرز هذه التطبيقات:
تصميم الغواصات
تعتمد الغواصات في قدرتها على الغوص والصعود في الماء على مبدأ أرخميدس. تحتوي الغواصة على ما يسمى بـ “خزان الصابورة”.
يتم التحكم في عمق الغواصة من خلال ملء أو تفريغ هذا الخزان بالماء. فعندما يدخل الماء إلى خزان الصابورة، يزداد وزن الغواصة ويصبح أكبر من قوة الطفو، مما يؤدي إلى غوصها. وعلى العكس، عندما يتم تفريغ الخزان من الماء، يقل وزن الغواصة ويصبح أقل من قوة الطفو، مما يسمح لها بالصعود إلى السطح.
كما ذُكر في المصادر، “السبب الذي يساعد الغواصة على البقاء تحت الماء احتواءها على خزان الصابورة،[١]الذي يستخدم للتحكم في موقع الغواصة وعمقها من على سطح البحر، حيث يدخل الماء إلى داخل خزان الصابورة فتغمر الغواصة فيصبح وزنها أكبر من وزن قوة الطفو، وبالعكس يمكن تطفو الغواصة إلى أعلى عن طريق تقليل الماء من داخل خزان الصابورة فيصبح الوزن أقل من وزن قوة الطفو.[٢]”
تصميم السفن
يعتمد تصميم السفن بشكل أساسي على قاعدة أرخميدس. يتم تصميم جسم السفينة بحيث يكون مجوفًا من الداخل، مما يجعل كثافتها الكلية أقل من كثافة الماء. هذا يعني أن وزن السفينة يكون أقل من وزن الماء الذي تزيحه. ونتيجة لذلك، تدفع قوة الطفو السفينة إلى الأعلى، مما يسمح لها بالطفو على سطح الماء.
وحسب المصادر، “عندبناء السفنيتم استخدام مبدأ أرخميدس حيث يتم تصميم جزء كبير من السفينة مجوفًا من الداخل، فتكون الكثافة الهواء داخل السفينة أقل من كثافة الماء، فيصبح وزن السفينة أقل من وزن الماء المزاح بواسطتها، عندها تدفع قوة الطفو التي تساوي المياه المزاحة السفينة إلى الأعلى فتطفو على سطح الماء.[٣]”
كرات الشاطئ
تعتبر كرات الشاطئ مثالًا بسيطًا على تطبيق قاعدة أرخميدس. تكون الكرات مملوءة بالهواء، مما يجعل وزنها خفيفًا جدًا. عندما توضع الكرة في الماء، فإنها تزيح كمية قليلة من الماء بسبب وزنها الخفيف. ومع ذلك، حتى هذه الكمية القليلة من الماء المزاح تولد قوة طفو كافية لدفع الكرة إلى الأعلى وجعلها تطفو على السطح.
كما جاء في المصادر، “تكون كرات الشاطئ مملوءة بالهواء لذا فهي تمتلك وزن صغير جدًا وتكونقوة الطفوالمؤثرة عليها قليله كونها تزيح كمية قليلة من الماء بسبب وزنها، ولكن عند البدء بدفع الكرة في الماء تزداد قوة الطفو المؤثرة عليها مما يجعلها تطفو على الماء ولا تغرق.[٣]”
الطفو على السطح
يعتمد الطفو على السطح على العلاقة بين وزن الجسم وقوة الطفو المؤثرة عليه. إذا كان وزن الجسم أكبر من قوة الطفو، فإنه سيغرق. وإذا كان وزن الجسم مساويًا لقوة الطفو، فإنه سيطفو. على سبيل المثال، تطفو الجبال الجليدية على الماء لأن وزنها يساوي قوة الطفو المؤثرة عليها. وهذا يوضح أن القوة الدافعة التي تؤثر على أي جسم يجب أن تكون مساوية لوزن السائل الذي أزاحه الجسم.
“لكل جسم وزن مساوٍ لوزن الماء الذي يزيحه، فإذا كان وزن الجسم أكبر من وزن القوة الدافعة التي تؤثر عليه فإن الجسم سوف يغرق، ولكن إذا كان مساوٍ لقوة الدفع المؤثرة عليه فيطفو الجسم على السائل، فمثلًا تطفو الجبال الجليدية على الماء بسبب قوة الطفو المتوازنة المؤثرة عليها، لذا فإن مبدأ الطفو ينص على أن القوة الدافعة التي تؤثر على أي جسم يجب أن تكون مساوية لوزن السائل الذي أزاحه الجسم.[٣]”
تصميم المنطاد
يعتمد تصميم المنطاد على مبدأ الطفو في الهواء. يتم ملء المنطاد بهواء ساخن، والذي يكون أقل كثافة من الهواء المحيط به. ونتيجة لذلك، تدفع قوة الطفو المنطاد إلى الأعلى. يتم التحكم في ارتفاع المنطاد عن طريق تغيير كمية الهواء الساخن بداخله. عندما يكون وزن المنطاد أعلى من قوة الطفو، فإنه يهبط. وعندما يكون وزن المنطاد مساويًا لقوة الطفو، فإنه يبقى ثابتًا في مكانه.
وحسب المصادر، “يعود السبب في ارتفاع المنطاد في الهواء هو أن قوة طفو المنطاد الذي يحتوي على هواء ساخن أقل من الهواء المحيط به،[١]يهبط المنطاد عندما يكون وزن المنطاد أعلى من قوة الطفو، وعندما يساوي وزن المنطاد قوة الطفو يصبح ثابتًا، ويتم التحكم في وزن المنطاد عن طريق تغيير كمية الهواء الساخن بداخله.[٢]”
قياس كثافة السوائل
يُستخدم مقياس الهيدرومتر لقياس كثافة السوائل بناءً على قاعدة أرخميدس. يتكون هذا الجهاز من أنبوب زجاجي مجوف ذي قاع عريض ومغلق. يعمل القاع كخزان صابورة مملوء بالرصاص. يتم سكب السائل المراد قياس كثافته داخل الأنبوب الضيق الذي يحتوي على تدرجات. وعند استقرار السائل، يتم أخذ القراءة بالمستوى الذي انغمر فيه الجهاز داخل السائل. من خلال حساب كمية الماء المزاح، يمكن تحديد كثافة السائل. إذا غرق الجهاز في سائل العينة، فهذا يدل على أن كثافة السائل أقل.
كما ورد في المصادر، “مقياس الهيدومتر (بالإنجليزية: Hydrometer) هو أداة تستخدم لقياس كثافة السوائل بواسطة تطبيق دافعة أرخميدس، حيث يتكون الجهاز من أنبوب زجاجي مجوف بقاع عريض ومغلق من كلا الطرفين، يعمل القاع كخزان صابورة ويكون مملوء بالرصاص، يتم سكب السائل المراد قياس كثافته داخل الأنبوب الضيق الذي يحتوي على تدرجات وعند استقرار السائل يتم أخذ القراءة بالمستوى الذي انغمر فيه الجهاز داخل السائل ويتم حساب كمية الماء المزاح من أجل حساب كثافة السائل، إذا غرق الجهاز في سائل العينة هذا يدل على أن كثافة السائل أقل.[٣]”
الأسماك
تستخدم بعض أنواع الأسماك مبدأ أرخميدس للتحكم في طفوها. تمتلك هذه الأسماك مثانة هوائية تساعدها في التحكم في قوة الطفو المؤثرة عليها. عندما تملأ السمكة مثانتها بالهواء، يزداد حجمها ويتم إزاحة الماء، مما يزيد من قوة الطفو ويجعل السمكة تطفو إلى الأعلى.
وحسب المصادر، “تستخدم بعض الأسماك مبدأ أرخميدس مما يجعلها تطفو على الماء، تحتوي هذه النوعية من الأسماك على مثانة تساعدها في التحكم بقوة الطفو المؤثرة عليها، بحيث تملأ الأسماك مثانتها بالهواء فيزداد حجمها فيتم إزاحة الماء بها فتزداد قوة الطفو مما يجعل السمكة تطفو إلى أعلى.[٣]”
الجيولوجيا
يمكن استخدام مبدأ أرخميدس لقياس كثافة المواد الصلبة. لقياس كثافة مادة صلبة، يتم تعليقها في ميزان زنبركي وغمرها في سائل معروف الكثافة. ثم يتم ملاحظة الكتلة المفقودة من العينة. وباستخدام مبدأ أرخميدس، يمكن حساب كثافة المادة.
“يمكن قياس كثافة المواد الصلبة باستخداممبدأ أرخميدس، لقياس كثافة المادة يتم تعليقها في الميزان الزنبركي وغمرها في سائل معروف كثافته وعندها يتم ملاحظة الكتلة المفقودة من العينة ومن خلال مبدأ أرخميدس يتم حساب كثافة المادة بعدها.[٣]”
المراجع
- ^أبbyjus team (2020),”Archimedes Principle”,byjus, Retrieved 9/1/2022. Edited.
- ^أبtoppr team (2020),”All You Need to Know About the Archimedes Law”,toppr, Retrieved 9/1/2022. Edited.
- ^أبتثجحstudiousguy team (2020),”10 Archimedes Principle Applications in Daily Life”,studiousguy, Retrieved 9/1/2022. Edited.