التفسير العلمي لكيفية حدوث عملية طفو الأجسام

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

كيفية حدوث عملية طفو الأجسام عملية طفو الأجسام الفيزياء

عندما يظهر جسم ما على سطح أحد السوائل أو يطفو في أحد الغازات فإن السبب هو أن السائل أو الغاز يقومان بدفع ذلك الجسم نحو الأعلى.

سنكتشف في هذا النشاط سبب غرق بعض الأجسام وطفو بعضها الآخر.

لماذا تبدو الأجسام أقل وزناً عندما تكون في الماء؟ السبب هو أن الماء يقوم بدفع الأجسام الحاملة نحو الأعلى. ويُطلق على القوة الحاملة مصطلح ”الدفع العلوي“.

 

وتساوي قوة الدفع العلوي وزن الماء الذي يزيحه الجسم، وتتوقف كمية الماء التي يزيحها ذلك الجسم على كثافته، أي مقدار المادة في الجسم أو كتلته، بالنسبة لحجمه.

وكي يطفو جسم ما في الماء يجب أن تكون كثافته أقل من كثافة الماء، وإلا فلن يستطيع الماء توفير قوة دفع علوي تكفي لحمل الجسم.

 إن أسهل طريقة لفهم كيفية تأثير كثافة أحد الأجسام على قوة الدفع العلوي هي القيام بالتجربة التالية.

 

كوّن كرة من صلصال اللعب وضعها في وعاء يحتوي على الماء. إن كرة الصلصال ستغرق (1) لأن كثافتها أكبر من كثافة الماء.

كوّن بعد ذلك من القطعة نفسها شكل قارب وضعه في الماء. ستلاحظ هذه المرة أنه يطفو (2).

مع أن الصلصال أكثر كثافة من الماء، لكن القارب الذي كونته كان مجوفاً: خليط من الصلصال والهواء، ما جعله أقل كثافة من الماء.

جرب الآن أن تضع بعض الكرات الزجاجية في القارب. ستلاحظ هذه المرة أن الكثافة الكلية لكل من القارب والكرات الزجاجية أكبر من كثافة الماء. وبالتالي سيغرق القارب.

 

استحمام وأفكار مفيدة!

اكتشف العالم اليوناني أرخميدس (212-287 قبل الميلاد) أن قوة دفع الماء على جسم طافٍ أو مغمور في الماء تساوي وزن الماء الذي يزيحه هذا الجسم.

 ويُقال إن أرخميدس قام بهذا الاكتشاف عندما دخل حوض الاستحمام في أحد الحمامات العامة ولاحظ الماء وهو يفيض من الحوض فخرج من الحمام عارياً من شدة فرحه بذلك الاكتشاف وهو يصيح «وجدتها!».

واستعمل أرخميدس ذلك الاكتشاف كي يثبت أن الملك كان قد تعرض للاحتيال من جانب أحد صائغي الذهب، الذي لم يستخدم كمية كافية من الذهب لصنع تاج الملك.

 

وقد تحقق أرخميدس من أن أي جسم يطفو في الماء يكون خاضعاً لقوتين: فوزن الجسم يشده إلى الأسفل، بينما يقوم الماء بدفعه إلى الأعلى.

ووجد أرخميدس أنه كلما زادت كمية الماء التي يزيحها هذا الجسم أصبحت قوة الدفع العلوي عليه أكبر.

ويمكن أن تطفو الأجسام في الغازات كما في السوائل، فالمناطيد المملوءة بغاز الهليوم تحلّق في الهواء لأن الهليوم غاز خفيف جداً وأقل كثافته من الهواء بدرجة كبيرة.

 

وتستخدم مناطيد الهليوم في نقل الأجهزة العلمية إلى مسافات عالية من الغلاف الجوي لقياس درجة تلوث الهواء.

ورغم وزن مادة المنطاد نفسه وما يحمله من أجهزة، إلا أن هذه الآلة السابحة في الفضاء تظل أقل كثافة من حجم الهواء نفسه. ويرجع سبب تحليق المناطيد التي تحتوي على الهواء الحار إلى أن الهواء في باطنها يتمدد ليصبح أقل كثافة بسبب سخونته.

ويقوم ربّان المنطاد بإشعال جهاز يعمل على تسخين الهواء داخل المنطاد، وإذا برد الهواء يصبح المنطاد أكبر كثافة وبالتالي سيهبط.

 

ما أدنى مستوى لعلوم السفينة؟

تطفو السفينة الثقيلة لأنها تزيح كمية من الماء مساوية لوزنها (1)، وينتج عن ذلك قوة دفع علوي تؤدي إلى طفو السفينة.

 

لكن في حال كانت السفينة محمَّلة أكثر من اللازم (2) فإنها وحمولتها تصبحان أثقل من أن تطفوان على السطح – بسبب كثافتهما العالية – وقد يؤدي ذلك إلى غرق السفينة، لذلك تحمل كل السفن علامة على جانبها يستطيع القبطان من خلالها معرفة أدنى مستوى تستطيع عنده السفينة الإبحار من دون أن تغرق.

وتسمى هذه العلامة ”خط بليمسول“ الذي يحدد مستوى التحميل الآمن.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]