قانون الطفو

لماذا نشاهد السفن العملاقة ترسو في وسط البحر طافية فوق سطح الماء، رغم ثقلها الذي يتجاوز مئات الأطنان؟ ولماذا من يمارس رياضة الغوص يجد حمل الأجسام الثقيلة داخل الماء أسهل بكثير من حملها خارجه، وأيضا لماذا تطفو تلك السفن هائلة الحجم بينما يغرق مسمار صغير ، كل هذه الأسئلة لها علاقة بظاهرة مهمة  وهي ظاهرة الطفو، في هذا المقال سنتناول مفهوم هذه الظاهرة وقانون الطفو للعالم

أرخميدس

.

ما هو الطفو ؟

الطفو ظاهرة تحرك الأجسام في السوائل والغازات (الموائع ) إلى الأعلى إذا كان محيطها أعلى كثافة منها، ومثل طفو الخشب على الماء، وطفو الزيت على الماء والسفن والغواصات، حيث  تسمى تلك القوة المؤثرة على الجسم بـ دفع الماء على الجسم.

و قوة الطفو تكون عبارة عن الفرق بين وزن الجسم الحقيقي خاليا من المائع (السائل أو الغازي) وبين وزنه الظاهري في الوسط المائع المحيط، ويقاس وزن الجسم الحقيقي ب

كتلة الجسم

مضروبة × عجلة

الجاذبية الأرضية

.

مفهوم الطفو وقانونه

درس العالم توصل العالم أرخميدس إلى أربعة نتائج مهمة عند غمر جسم كلياً أو جزئياً داخل سائل معين، وهذه النتائج كانت كالآتي: يبدو الجسم المغمور كأنه خسر جزءاً من وزنه؛ وذلك بسبب وجود قوة دفع من هذا السائل على الجسم المغمور، ويكون اتجاه هذه القوة إلى الأعلى.

وقد وجد العالم اليوناني القديم أرخميدس أن قوة الدفع  تتناسب طردياً مع كثافة السائل، وكلما ازدادت كثافة السائل ازدادت قوة دفع الأجسام.

وتوصل أرخميدس إلي أن

مقدار القوة

الناشئ من هذا السائل يعتمد على حجم السائل المزاح، وهو ما نلاحظه عندما نضع جسم داخل سائل معين فيرتفع هذا السائل بشكل أكبر عن الارتفاع الذي كان عليه قبل وضع الجسم داخله، حيث أنه كلما ازداد حجم الجزء الذي ارتفع تكون قوة دفع السائل أكبر.

وهو ما يعني أن مقدار قوة دفع السائل تساوي وزن السائل المزاح، وإذا تم السائل المحصور بين الارتفاعين القديم والجديد، فإن مقدار القوة الناشئة من هذا السائل تساوي وزن السائل المحصور بين الارتفاعين.

الطفو والكثافة

1 – إذا كان وزن جسم ما أقل من وزن الماء المزاح وبنفس حجم الجسم عند انغماره في الماء كليا ، تكون كثافة الجسم أقل من كثافة الماء.

2- وعليه يطفو الجسم حتى يصبح وزن الجسم مساويا لوزن الماء المزاح.

3- أما إذا كان وزن الجسم أكبر من وزن الماء المزاح في حالة انغماره كليا (مثل

النحاس

)، فإنه يغطس في الماء، لكنه يستطيع الطفو إذا كان مفرغا بحيث يحتفظ بحجم كاف من الهواء، والتعليل العلمي لذلك هو أن كثافة الجسم  في حالة النحاس الطافي ستشمل النحاس وما فيه من هواء، وتصبح أقل من كثافة السائل، وبالتالي فإنه يطفو.

4- وتوصل أرخميدس إلى المعادلة التالية للكثافة وهي: الكثافة = إجمالي كتلة الجسم ÷ حجمه

5- وتقاس وحدة الكثافة بـ كيلوجرام / متر3.

6- والاستنتاجات لتلك النظرية أنه إذا كان الجسم مصنوع من مادة ذات كثافة أعلى من المائع (السوائل أو الغازات)، مثل جسم من حديد مثلا في الماء، فإنه سيغرق في السائل أو الغاز المحيط.

7- أما كان الجسم مصنوع من مادة ذات كثافة عالية (

الحديد

) لكن يوجد به حيز من الهواء المحبوس، فإن دفع الماء يجعله يطفو.

8- وهذا ما يفسر طفو سفينة هائلة الحجم وغرق مسمار صغير، حيث إن جسم السفينة تم تصممه بحيث يزيح مقدارا كبيرا من الماء، وهو ما يبين أن طفو جسم ما لا يعتمد على وزنه وإنما يعتمد أيضا على كمية الماء التي يزيحها.

9-  ولإيضاح قاعدة الطفو يمكن القول أن الجسم إذا وضع في

الماء

فإنه يواجه دفعا من أسفل إلى أعلى يعادل وزن كمية الماء التي يزيحها، ولذلك يطفو لأن الجسم أزاح ماء وزنه أكثر من وزن الجسم ويسمى جسم موجب الطفو، بينما إذا أزاح الجسم ماءً وزنه أقل من وزن الجسم فإنه سيغوص ويسمى جسم سالب الطفو،  وإذا أزاح الجسم ماءً مساوياً لوزن الجسم فإنه لن يطفو ولن يغوص ويظل معلقا وفي تلك الحالة يسمى جسم متعادل الطفو، والمثال على تلك الحالة

الحشرات

التي تسير على الماء.