محتويات
قاعدة أرخميدس: مبدأ الطفو
اكتشف العالم اليوناني أرخميدس مبدأ هاماً في الفيزياء، وهو قانون الطفو، المعروف باسم قاعدة أرخميدس. تنص هذه القاعدة على أن الجسم المغمور كليًا أو جزئيًا في مائع دون تأثير أيّ قوة عليه يندفع لأعلى بقوة صاعدة تُدعى قوة الطفو. يُساوي مقدار هذه القوة وزن السائل الذي يزيحه الجسم عند غمره. [١][٢]
يمكن التعبير عن قاعدة أرخميدس رياضياً على النحو التالي: [٣]
قوة الطفو = كثافة السائل × حجم السائل المزاح × تسارع الجاذبية الأرضية.
من المهم ملاحظة أن قوة الطفو تُعارض قوة الجاذبية دائماً. يعتمد حجم السائل المُزاح على حالة الجسم:
- عندما يكون الجسم مغموراً كلياً، يكون حجم السائل المزاح مساوياً لحجم الجسم.
- عندما يطفو الجسم، يكون حجم السائل المزاح أقل من حجم الجسم.
إذا كانت قوة الطفو مساوية لوزن الجسم، يطفو الجسم. إذا كان وزن الجسم أقل من وزن السائل المزاح، يرتفع الجسم لأعلى، كما هو الحال مع لوح الخشب الذي يرتفع للأعلى عند محاولة إغراقه في الماء أو بالون الهيليوم الذي يطير في الهواء. على العكس، إذا كان وزن الجسم أكبر من كمية السائل المزاح، فإنّه يغرق. [١][٣]
أمثلة توضيحية لقاعدة أرخميدس
لنفهم بشكل أفضل تطبيق قاعدة أرخميدس، سنستعرض بعض الأمثلة:
مثال (1): ما مقدار قوة الطفو المؤثرة على كرة فولاذية نصف قطرها يُساوي 5 سم مغمورة في الماء، مع العلم أنّ كثافة الكرة = 7900 كغ/م3، وكثافة الماء = 1000 كغ/م3؟
الحل:
- يُحسب حجم الكرة الفولاذية = (4/3) × π ×(نصف القطر)3
- حجم الكرة الفولاذية = (4/3) × 3.14 × (0.05)3
- حجم الكرة الفولاذية = 0.000523 م3
- حجم الجسم = حجم السائل المُزاح؛ بما أنّ الجسم مغمور كلياً. [٣]
- قوة الطفو = كثافة السائل × تسارع الجاذبية × حجم الكرة
- قوة الطفو = 1000 × 9.8 × 0.000523
- قوة الطفو= 5.1254 نيوتن.
مثال (2): ما مقدار قوة الطفو المؤثرة على مكعب ووزنه في الهواء 19 نيوتن، وعند غمره في الماء يصبح وزنه 17 نيوتن؟
الحل:
- قوة الطفو = وزن الجسم في الهواء – وزن الجسم المغمور في الماء
- قوة الطفو = 19- 17
- قوة الطفو= 2 نيوتن
تطبيقات عملية لقاعدة أرخميدس
تلعب قاعدة أرخميدس دوراً هاماً في العديد من المجالات، ونذكر منها:
- الغواصة: تحتوي الغواصة على خزان الصابورة الذي يُخزن الماء. عندما يُملأ الخزان بالماء، يصبح وزن الغواصة أكبر من قوة الطفو، فتغوص تحت الماء. عندما يتم ضخ الماء خارج الخزان، تقل كتلة الغواصة وتصبح قوة الطفو أكبر من الوزن، فتطفو مرة أخرى.
- مقياس كثافة السوائل: يُستخدم هذا المقياس لقياس كثافة السوائل النسبية. يحتوي على كرات من الرصاص تطفو عاموديًا على السوائل. كلما انخفض المقياس أكثر، كلما كانت كثافة السائل أقل.
- السفن: تنزل السفينة للأسفل إلى أن يتساوى وزنها مع وزن الماء المزاح. عندما تُحمل بالمزيد من البضائع، تُزيح المزيد من الماء وبالتالي تغوص بشكل أعمق إلى أن يتطابق وزن السائل المزاح مع وزن وحمولة السفينة. بهذه الطريقة تطفو السفينة.
- المنطاد: يُحلق المنطاد في الهواء من خلال تأثير قوة الطفو عليه وتغلبها على قوة الجاذبية. يُملأ المنطاد بغاز أخف من الهواء مثل الهيليوم، وبذلك تصبح قوة الطفو أكبر من وزن المنطاد ويبدأ بالارتفاع.
المراجع
- [١] “Archimedes’s principle”, www.britannica.com, 2020-5-29، Retrieved 2021-5-24.
- [٢] “Buoyancy”, www.encyclopedia.com, 2018-5-14، Retrieved 2021-5-24.
- [٣] Jonathan Osbourne ,”Archimedes Principle”،www.brightstorm.com, Retrieved 2021-5-24.
- [٤] “Archimedes Principle Formula”, www.softschools.com, Retrieved 2021-5-24.
- [٥] “Archimedes Principle”, www,byjus.com, Retrieved 2021-5-24.
- [٦] “Density and the Buoyant Force – Hot Air Balloon”, www.primetimepbc.org, Retrieved 2021-6-13.