تنزيل المقال
تنزيل المقال
الطفو هو القوة التي تعمل عكس اتجاه الجاذبية والتي تؤثر على جميع الأشياء المغمورة في مائع. يضغط وزن الجسم لأسفل على المائع عند وضعه به (سائل أو غاز) بينما تدفعه قوة الطفو لأعلى لتعمل ضد الجاذبية. يمكن حساب قوة الطفو هذه في العموم بالمعادلة F b = V s * D*G حيث F b هي قوة الطفو وV s هو الحجم المغمور وd كثافة السائل الذي غمر به الجسم وG هي قوة الجاذبية. انظر خطوة 1 أدناه للبدء بتعلم كيفية تحديد قوة طفو الجسم.
الخطوات
-
إيجاد حجم الجزء المغمور من الجسم. تتناسب قوة الطفو المؤثرة على الجسم تناسبًا مباشرًا مع حجم الجزء المغمور. بعبارة أخرى: كلما زاد الجزء المغمور من الجسم الصلب زادت قوة الطفو المؤثرة عليه. يعني هذا أنه حتى الأشياء التي تغرق في المائع لها قوة طفو تدفعها لأعلى. يجب أن تكون خطوتك الأولى عمومًا لحساب قوة الطفو المؤثرة على جسم ما هي تحديد حجم الجسم المغمور في لسائل. يجب قياس هذه القيمة بالمتر 3 في معادلة حساب قوة الطفو.
- يكون الحجم المغمور مساويًا لحجم الجسم نفسه في حالة الأجسام المغمورة بالسائل تمامًا. أما للأجسام الطافية على سطح السائل فإننا نأخذ حجم الجزء الواقع تحت السطح فقط.
- لنقل مثلًا بأننا نريد إيجاد قوة الطفو المؤثرة على كرة مطاطية طافية في الماء. يمكننا إيجاد حجم الجزء المغمور إذا كانت الكرة كرةً مثالية بقطر 30 سم وتطفو بحيث يغمر نصفها تمامًا بالماء عن طريق إيجاد الحجم الكلي للكرة وقسمته على اثنين. نعلم أن حجم الكرة يساوي (4/3)ط(نق) 3 أي في هذه الحالة (4/3)ط(0,5) 3 =0,524م 3 . 0,524/2=0,262 م 3 مغمور.
-
إيجاد كثافة سائل . الخطوة التالية في عملية إيجاد قوة الطفو هي تحديد كثافة المائع (بالكيلوجرامات/ م 3 ) المغمور به الجسم. إن الكثافة مقياس لثقل الجسم أو المادة بالنسبة لحجمها، عند وجود جسمين متساوين في الحجم يصبح أعلاهما كثافة أثقلهما وزنًا. وكقاعدة عامة فكلما زادت كثافة المائع المغمور به الجسم زادت قوة الطفو. من الأسهل تحديد الكثافة بالاطلاع عليها في المواد المرجعية للموائع عمومًا.
- تطفو الكرة في الماء في مثالنا. يمكننا أن نجد – بالرجوع لمصدر أكاديمي – أن كثافة الماء بين 1000 كجم/م 3 .
- كثافات العديد من الموائع الأخرى الشائعة موضحة في المصادر الهندسية. يمكن إيجاد إحدى القوائم المشابهة هنا .
-
جد قوة الجاذبية (أو أي قوة سفلية أخرى). يتعرض الجسم لتأثير قوة الجاذبية دومًا سواءً كان غارقًا في المائع أو طافيًا به. تعادل هذه القوة الثابتة المؤثرة لأسفل في الحياة الواقعية 9,81 نيوتن/كجم تقريبًا . لكن في حالات أخرى حيث تؤثر قوى أخرى –كقوة الطرد المركزي- على المائع والجسم المغمور به فلابد من أخذها في الحسبان لتحديد القوة الكلية المؤثرة لأسفل في النظام كله.
- يمكننا أن نفترض في مثالنا – إذا كنا نتعامل مع نظام عادي ثابت – أن القوة الوحيدة المؤثرة لأسفل على المائع والجسم هي قوة الجاذبية القياسية 9,81 نيوتن/كجم .
- لكن ماذا لو كانت كرتنا تطفو في دلو من الماء يتأرجح بسرعة كبيرة في دائرة أفقية؟ سنشتق القوة المؤثرة لأسفل في هذه الحالة -وبافتراض أن الدلو يتأرجح بسرعة كافية لعدم سقوط الكرة والماء وخروجهما منه- من قوة الطرد المركزية الناشئة عن أرجحة الدلو وليس عن الجاذبية الأرضية.
-
اضرب الحجم في الكثافة في الجاذبية. يصبح إيجاد قوة الطفو سهلًا حين تعرف القيم الخاصة بحجم الجسم (بالمتر المكعب) وكثافة السائل (بالكجم/متر مكعب) وقوة الجاذبية (أو القوة المؤثرة لأسفل في نظامك). اضرب هذه الكميات الثلاث فحسب لإيجاد قوة الطفو بالنيوتن.
- لنقم بحل مسألة مثالنا بالتعويض بهذه القيم في المعادلة F b = V s × D × g. F b = 0.262 متر 3 × 1,000 كجم/متر 3 × 9.81 نيوتن/كجم = 2,570 نيوتن .
-
اعرف ما إذا كان جسمك طافيًا بالمقارنة بقوة جاذبيته. يسهل إيجاد القوة التي تدفع الجسم لأعلى المائع المغمور به باستخدام معادلة قوة الطفو، لكن يمكن أيضًا أن تحدد ما إذا كان الجسم سيطفو أم يغرق بالقليل من العمل الإضافي. جد قوة الطفو للجسم بأكمله (بعبارة أخرى استخدم حجمه الكامل للتعويض عن V s ) ثم جد قوة الجاذبية التي تدفعه لأسفل بالمعادلة G=(كتلة الجسم)(9.81م/ث 2 ). سيطفو الجسم إذا كانت قوة الطفو أكبر من قوة الجاذبية. وبالمقابل فإنه سيغرق إذا كانت قوة الجاذبية أكبر. يقال أن الجسم متعادل الطفو إذا تساوت القوتان.
- لنقل مثلًا أننا نريد أن نعرف ما إذا كان برميل خشبي أسطواني بكتلة 20 كجم وقطر 0,75 م وارتفاع 1,25 م سيطفو في الماء. سيستغرق ذلك عدة خطوات:
- يمكننا إيجاد حجمه بمعادلة حجم الأسطوانة V = ط(قطر) 2 (ارتفاع). V = ط(.375) 2 (1.25) = 0.55 متر 3 .
- بعد ذلك يمكننا إيجاد قوة الطفو المؤثرة على الحاجز بافتراض أن الجاذبية عادية وكثافة الماء عادية. 0.55 متر 3 × 1000 كجم/متر 3 × 9.81 نيوتن/كجم= 5,395.5 نيوتن .
- علينا الآن إيجاد قوة الجاذبية المؤثرة على البرميل. G = (20 كجم) (9.81 متر/الثانية 2 ) = 196.2 نيوتن هذا أقل بكثير من قوة الطفو، لذا سيطفو البرميل.
- لنقل مثلًا أننا نريد أن نعرف ما إذا كان برميل خشبي أسطواني بكتلة 20 كجم وقطر 0,75 م وارتفاع 1,25 م سيطفو في الماء. سيستغرق ذلك عدة خطوات:
-
استخدم نفس الطريقة حين يكون المائع غازًا. لا تنس عند حل مسائل الطفو أن المائع الذي يُغمر به لا يجب أن يكون سائلًا بالضرورة. تعتبر الغازات موائع أيضًا ولا زال بإمكانها دعم ثقل أجسام معينة تطفو بها رغم أن كثافتها شديدة الانخفاض مقارنة بأنواع المواد الأخرى. بالون الهيليوم البسيط دليل على هذا؛ يطفو البالون لأن الغاز الذي يملأه أقل كثافة من المائع المحيط به (الهواء العادي).
-
ضع كوبًا أو وعاءً صغيرًا داخل آخر أكبر منه. تسهل رؤية مبادئ الطفو بشكل عملي باستخدام القليل من الأغراض المنزلية. سنوضح في هذه التجربة أن الجسم المغمور يتأثر بقوة طفو لأنه يزيح حجمًا من المائع مساويًا لحجم الجزء المغمور. كما سنوضح أثناء فعل ذلك كيفية إيجاد قوة طفو جسم بشكل عملي بهذه التجربة. ضع حاوية صغيرة مفتوحة كوعاء أو كوب داخل حاوية أكبر كدلو أو وعاء كبير لتبدأ.
-
املأ الحاوية الداخلية إلى الحافة ثم املأ الحاوية الداخلية الصغيرة بالماء. احترس هنا حيث يجب أن يصل مستوى الماء لأقصى حافة الحاوية دون أن ينسكب. أفرغ الحاوية الكبيرة إذا انسكب أي ماء قبل أن تكرر المحاولة.
- من الآمن أن نفترض أن الماء له الكثافة العادية 1000 كجم/م 3 لأغراض هذه التجربة. كثافة معظم أنواع الماء مقاربة لهذه القيمة المرجعية -ما لم تستخدم الماء المالح أو سائلًا مختلفًا تمامًا- لدرجة أن أي فارق صغير لن يغير نتائجنا.
- يمكن أن يفيدك استخدام قطارة إذا أتيحت لديك لضبط مستوى الماء في الحاوية الداخلية بدقة.
-
اغمر جسمًا صغيرًا. جد جسمًا صغيرًا بعد ذلك يمكنك وضعه بالحاوية الداخلية ولا يتلفه الماء. جد كتلة هذا الجسم بالكيلوجرامات (قد ترغب في استخدام ميزان يعطيك القيمة بالجرامات ثم تحولها إلى كيلوجرامات). اغمس الجسم بعد ذلك ببطء وثبات في الماء – دون تبليل أصابعك – حتى يبدأ بالطفو أو تستطيع حمله بالكاد ثم اتركه. يجب أن تلاحظ انسكاب بعض الماء الموجود بالحاوية الداخلية عن الحافة وإلى الحاوية الخارجية.
- لنقل مثلًا أننا نضع سيارة لعبة كتلتها 0,05 كجم في الحاوية الداخلية لأغراض هذا المثال. لسنا بحاجة لمعرفة حجم هذه السيارة لحساب الطفو كما سنرى في الخطوة التالية.
-
اجمع الماء المنسكب وعايره. يزيح الجسم بعض الماء عند غمره به لأنه إذا لم يفعل ذلك فلن يكون ثمة مساحة لدخوله الماء، وعندما يزيح الماء عن طريقه فإن الماء يدفعه بدوره ما يؤدي للطفو. خذ الماء المنسكب من الحاوية الداخلية وصبه في كوب قياس صغير. يجب أن يكون حجم الماء الموجود بالكوب مساويًا لحجم الجزء المغمور من الجسم.
- بعبارة أخرى: إذا طفا الجسم فإن حجم الماء المنسكب سيعادل حجم الجزء المغمور من الجسم تحت سطح الماء. أما إذا غرق فسيكون حجم الماء المنسكب مساويًا لحجم الجسم كله.
-
احسب وزن الماء المنسكب. يمكنك إيجاد كتلة الماء المنسكب في كوب القياس لعلمك بكثافته واستطاعتك قياس حجمه. حول الحجم إلى المتر المكعب (يمكن أن تفيدك هنا أداة تحويل على الإنترنت مثل هذه الحاسبة ) واضربه في كثافة الماء (1000 كجم/ متر مكعب).
- لنقل في مثالنا أن السيارة غرقت في الحاوية الداخلية وأزاحت ملعقتين كبيرتين (0,00003م 3 ). سنضرب هذا الرقم في الكثافة لإيجاد كتلة الماء: 1000 كجم/م 3 * 0.00003م 3 =0,03 كجم.
-
قارن كتلة الماء المزاح بالجسم. الآن بعد أن عرفت كتلة الجسم المغمور في الماء وكتلة الماء المزاح فقارن بينهما لترى أيهما أكبر. يفترض أن يغرق الجسم المغمور في الحاوية الداخلية إذا كانت كتلته أكبر من كتلة الماء المزاح. وبالمقابل إذا كانت كتلة الماء المزاح أكبر فيجب أن يطفو الجسم. هذا مبدأ الطفو بشكل عملي، إذ يجب أن يزيح الجسم مقدارًا من الماء كتلته أكبر من كتلة الجسم نفسه ليطفو.
- لهذا الأجسام ذات الكتل الصغيرة والأحجام الكبيرة هي أكثر الأنواع طفوًا. تعني هذه الخاصية أن الأجسام المجوفة بالتحديد تطفو. فكر في زورق، فيطفو جيدًا لأنه مجوف من الداخل لذا يتمكن من إزاحة الكثير من الماء دون كتلة كبيرة للغاية. لن تطفو القوارب بنفس الدرجة إذا كانت مصمتة.
- كتلة السيارة في مثالنا (0,05 كجم) أكبر من الماء المزاح (0,03 كجم). يتسق هذا مع ما لاحظناه وهو غرق السيارة.
أفكار مفيدة
- استخدم ميزانًا يمكن إعادته للصفر بعد كل قراءة ليساعد في الحصول على قياسات دقيقة.
الأشياء التي ستحتاج إليها
- وعاء أو كوب صغير
- دلو أو وعاء كبير
- جسم صغير لغمره (ككرة مطاطية)
- كوب قياس
المصادر
- http://www.howstuffworks.com/buoyancy-info.htm
- http://www.howstuffworks.com/science-vs-myth/everyday-myths/10-scientific-laws-theories7.htm
- http://www.howstuffworks.com/outdoor-activities/water-sports/sailboat2.htm
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/class/phscilab/dens.html
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mass.html#wgt
- http://www.pasco.com/file_downloads/experiments/pdf-files/glx/physics/29-Buoyant-force-SV.pdf
- http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas/Phys_p074.shtml
- http://en.wikipedia.org/wiki/Buoyancy#Archimedes.27_principle
