قانون الطفو
مقدّمة
عندما نكون على الشاطئ ونرى البواخر العملاقة ترسو في وسط البحر، فإنّ ما يخطر في أذهاننا سؤال مهم ألا وهو لماذا هذه البواخر العملاقة تطفو فوق سطح الماء، رغم أنّها مصنوعة من هيكل معدني وتحمل على متنها مئات الأطنان؟ وأيضاً من يمارس رياضة الغوص فإنّه يجد حمل الأشخاص والصخور أو الأجسام الثقيلة داخل الماء أسهل بكثير من حملها خارجه، حيث يشعر الإنسان بأن جزءاً من هذه الأوزان قد فقد داخل الماء، كل هذه الأسئلة لها علاقة بظاهرة مهمة في الطبيعة ألا وهي ظاهرة الطفو، من خلال هذا المقال سوف نتعرف على مفهوم الطف،و وقانونه للأجسام المغمورة كلياً أو جزئياً، ونذكر بعض التطبيقات الفيزيائية على هذه الظاهرة.
مفهوم الطفو وقانونه
توصل العالم أرخميدس إلى أربعة نتائج مهمة عند غمر جسم كلياً أو جزئياً داخل سائل معين، وهذه النتائج كانت كالآتي:
- يبدوالجسم المغمور كأنه خسر جزءاً من وزنه؛ وذلك بسبب وجود قوة دفع من هذا السائل على الجسم المغمور، ويكون اتجاه هذه القوة إلى الأعلى.
- وجد أرخميدس بأنّ هذه القوّة تتناسب طردياً مع كثافة السائل، فكلّما ازدادت كثافة السائل ازدادت قوة دفع الأجسام.
- يعتمد مقدار القوة الناشئ من هذا السائل على حجم السائل المزاح، حيث نلاحظ عندما نضع جسم داخل سائل معين فإنّ هذا السائل يرتفع بشكل أكبر عن الارتفاع الذي كان عليه، فحجم الجزء الذي ارتفع كلّما ازداد تكون قوة دفع السائل أكبر.
- إن مقدار قوة دفع السائل تساوي وزن السائل المزاح، فإذا قمنا بتوزين السائل المحصور بين الارتفاعين القديم والجديد، فإنّنا نجد أنّ مقدار القوة الناشئة من هذا السائل تساوي وزنه.
قاعدة أرخميدس
من خلال هذه النتائج الأربعة التي توصلها لها أرخميدس وضع قاعدة مهمة في مجال الفيزياء وتعرف بقاعدة أرخميدس، والتي تنصّ على أنّ الجسم المغمور كلياً أو جزيئاً داخل سائل معيّن، فإنّ هنالك قوة تتولد عن هذا السائل تدفعه نحو الأعلى، ويكون مقدارها يساوي وزن هذا السائل المزاح، وتكون مقدار قوة دفع السائل للأجسام المغمورة كلياً تساوي حاصل طرح وزن الجسم في الهواء، ووزنه في السائل وتساوي حجم الجسم، أو حجم السائل المزاح مضروبة في تسارع الجاذبية الأرضية، وفي كثافة السائل أي أنّ:
- قوة الدفع أو الطفو= وزن الجسم في الهواء–وزن الجسم في السائل= حجم السائل المزاح أو الجسم×تسارع الجاذبية الأرضية×كثافة السائل.
- أمّا في حالة الأجسام المغمورة جزيئاً أو التي تطفو فوق سطح السائل فمن مقدار قوة دفع السائل تساوي وزن الجسم في الهواء وتساوي وزن السائل المزاح أي أن: قوة الطفو أو الدفع= وزن الجسم في الهواء= وزن السائل المزاح.
تطبيقات على قانون الطفو
من أهمّ التطبيقات على مفهوم الطفو هي:
- قياس كثافة السوائل المجهولة: حيث من خلال مفهوم الطفو استطاع العلماء صناعة جهاز الهيدروميتر لقياس كثافة السوائل المجهولة، وذلك اعتماداً على قانون الأجسام المغمورة جزيئاً.
- طفو السفن: من خلال فكرة الطفو قام العلماء بجعل حجم والتجويف الداخلي لسفن كبير جداً، ولهذا تكون كثافتها أقل من كثافة الماء ممّا يجعلها تطفو فوق سطح الماء.
- صناعة الغواصات: تعتمد صناعة الغواصات على فكرة صناعة السفن، حيث تصنع من هيكل معدني ذات تجويف كبير جداً مما يجعل كثافتها أقل من كثافة الماء، ولجعل الغواصة تغوص إلى أعماق المياه يتمّ تعبئة بعض الخزانات الموجودة بداخلها بالماء، بحيث تزداد كثافتها وهذا يجعلها تغوص إلى داخل الماء، وعندما نريد رفعها إلى السطح يتمّ تفريغ هذه الخزانات فتطفو إلى الأعلى.