تتعدد قوانين علم الفيزياء المثيرة للإهتمام ولعل أبرزها قانون الطفو حيث نجد السفن الثقيلة المصنوعة من الفولاذ تسير على الماء دون أن تغرق لذلك سنبحر معا لنستكشف إجابة على سؤالنا التالي لماذا يطفو طوق الإنقاذ فوق سطح الماء .
لماذا يطفو طوق الإنقاذ فوق سطح الماء
- طفو طوق الإنقاذ فوق سطح الماء لا علاقة لها بوزن الجسم المقاس في الهواء على الأرض؛ فحاملة الطائرات ثقيلة الوزن لكن وزنها وحده لا يعني ما إذا كانت ستطفو أو تغرق.
- يطفو طوق الإنقاذ فوق سطح الماء وفقًا لكثافته – أي العلاقة بين وزنها وحجمها. فإذا كانت الكثافة الإجمالية للجسم أقل من الماء، فسوف يطفو تمامًا مثل الأجسام الخرسانية الكبيرة حيث تحتوي على هواء كافٍ بحيث تكون الكثافة الكلية أقل من الماء.
- وفقا لقانون الطفو لأرخميدس الذي ينص على أن أي جسم مغمور كليًا أو جزئيًا في سائل، يطفو بقوة مساوية لوزن السائل الذي أزاحه الجسم. مما يعني أنه إذا زاد وزن الجسم عن وزنه في الماء، فسوف يطفو.
أسباب طفو الأجسام فوق سطح الماء
تختلف المواد من حيث أشكالها واحجامها وكثافتها، وقد تلعب هذه الخصائص بشكل كبير في جعل الأجسام تطفو أو تعوم وقد يرجع ذلك إلى أن :
- كتلته كبيرة
- التساوي بين الحجم والكتلة
- لان كتلته صغيرة وحجمه كبير.
- لان كتلته كبيرة وحجمه صغير.
اقرا ايضًا: الفرق بين الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة
تعريف الطفو
- يشير الطفو أو القوة الصاعدة، إلى قوة صاعدة يمارسها مائع يقاوم وزن جسم مغمور جزئيًا أو كليًا.
- في عمود السائل، يزداد الضغط مع العمق نتيجة وزن السائل الذي يغطيه. لذلك يكون الضغط في قاع عمود السائل أكبر منه في الجزء العلوي من العمود.
- الضغط الموجود في الجزء السفلي من جسم مغمور في سائل يكون أكبر منه في الجزء العلوي من الجسم. وينتج عن فرق الضغط قوة صاعدة صافية على الجسم.
- يتناسب حجم القوة مع فرق الضغط، و (كما أوضح مبدأ أرخميدس) يعادل وزن السائل الذي سيشغل الحجم المغمور للجسم، أي السائل المزاح.
- لهذا السبب، يميل الجسم الذي تكون كثافته المتوسطة أكبر من السائل المغمور فيه إلى الغرق. فإذا كان الجسم أقل كثافة من السائل، فيمكن للقوة أن تبقي الجسم يطفو .
- مركز طفو الجسم هو مركز ثقل الحجم المزاح للسائل.
قانون الطفو
- إذا كان وزن الجسم أقل من وزن السائل المزاح؛ يرتفع الجسم، كما في حالة كتلة الخشب التي تنطلق تحت سطح الماء أو البالون المملوء بالهيليوم المنطلق في الهواء.
- إذا كان الجسم أثقل من كمية السائل الذي يزيحه، على الرغم من غرقه عند إطلاقه، فغنه يكون له فقدان واضح في الوزن يساوي وزن السائل المزاح.
- قوة الطفو ، التي تعارض الجاذبية دائمًا، ناتجة عن الجاذبية.حيث يزداد ضغط السائل مع العمق بسبب الوزن (الجاذبي) للسائل الذي يعلوه. ويطبق هذا الضغط المتزايد قوة على جسم مغمور تزداد مع العمق. والنتيجة هي الطفو.
قانون أرخميدس لطفو الأجسام
- ينص مبدأ أرخميدس ، القانون الفيزيائي للطفو ، الذي اكتشفه عالم الرياضيات اليوناني القديم والمخترع أرخميدس على أن أي جسم مغمور كليًا أو جزئيًا في سائل (غاز أو سائل) في حالة السكون يتم التصرف بناءً عليه بواسطة قوة صاعدة أو قابلة للطفو حجمها يساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم.
- سمي المبدأ على اسم أرخميدس من سيراكيوز، الذي اكتشف هذا القانون لأول مرة في عام 212 قبل الميلاد.
- حجم السائل المزاح يعادل حجم جسم مغمور بالكامل في سائل أو ذلك الجزء من الحجم الموجود أسفل السطح لجسم مغمور جزئيًا في سائل.
- وزن الجزء المزاح من السائل يعادل حجم قوة الطفو.
- قوة الطفو المؤثرة على جسم عائم في سائل أو غاز تعادل أيضًا من حيث الحجم وزن الجسم العائم وهي معاكسة في الاتجاه؛ على سبيل المثال، تغرق السفينة التي يتم إطلاقها في المحيط حتى يتساوى وزن الماء الذي تزيحه مع وزنها. لكن عندما يتم تحميل السفينة، تغوص بشكل أعمق ، مما يؤدي إلى إزاحة المزيد من المياه ، وبالتالي فإن حجم قوة الطفو يتطابق بإستمرار مع وزن السفينة وحمولتها.
أقرأ أيضًا: علماء الفيزياء واختراعاتهم .. معلومات عن مجموعة من علماء الفيزياء ..
الأسس التي يعتمد عليها مبدأ الطفو
- أي جسم، مغمور كليًا أو جزئيًا في سائل، يطفو بقوة مساوية لوزن السائل الذي أزاحه الجسم
- اثبتت العديد من التجارب أن حجم السائل المزاح بالنسبة لجسم غائر هو حجم الجسم ، وبالنسبة لجسم عائم على سائل، فإن وزن السائل المزاح هو وزن الجسم.
- يطفو طوق الإنقاذ فوق سطح الماء وفقًا للمبدأ قوة الطفو = وزن السائل المزاح.
- لا يعتبر مبدأ أرخميدس أن التوتر السطحي يعمل على الجسم، ولكن هذه القوة الإضافية تعدل فقط كمية السائل المزاح والتوزيع المكاني للإزاحة، لذلك يظل مبدأ قوة الطفو = وزن السائل المزاح صالح.
- يتناسب وزن السائل المزاح طرديًا مع حجم السائل المزاح (إذا كان السائل المحيط ذو كثافة موحدة). لذلك ينص المبدأ على أن قوة الطفو على جسم ما تساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم، أو كثافة السائل مضروبًا في الحجم المغمور في تسارع الجاذبية .
- من بين الأجسام المغمورة تمامًا ذات الكتل المتساوية، تتمتع الأجسام ذات الحجم الأكبر بطفو أكبر. ويُعرف بإسم الصعود.
