ما الخاصية التي تحدد امكانية انغمار جسم صلب في سائل
ما هي الخاصية التي تحدد إمكانية غمر جسم صلب في سائل
الخاصية التي يمكنها تحديد غرق جسم صلب في سائل هي الكثافة. وتلعب الكثافة دورا مهما في غرق الأجسام في السائل. فمتوسط الكثافة النوعية للجسم بعد وضعه في السائل سيحدد ما إذا كان سيطفو أم لا. إذا كان متوسط الكثافة النوعية أقل من كثافة السائل الذي يحتوي على الجسم، فسيطفو. ويرجع ذلك إلى أن السائل ذو كثافة عالية يكون لديه كتلة أكبر وبالتالي وزن أكبر، وبالتالي ستكون القوة الطافية تعادل وزن السائل الذي تم تغييره بوزن الجسم. وعلى العكس، سيغرق الجسم إذا كانت كثافته أعلى من كثافة السائل. وتعتمد قدرة الجسم على الغرق في السائل على ارتباط كثافة الجسم بكثافة السائل.
الكثافة
الكثافة تعني كمية المادة داخل وحدة حجم معين، ويمكن حساب كثافة الجسم باستخدام الكتلة والحجم، وتقاس الكثافة بوحدة الجرام/سنتيمتر مكعب، وتعبر عن كمية المادة الموجودة في المساحة المستخدمة. الأجسام ذات الكثافة العالية لها جزيئات متقاربة، بينما تكون جزيئات الأجسام ذات الكثافة المنخفضة متباعدة. كما تختلف المواد في كثافتها، فبعض المواد ذات كثافة عالية مثل الذهب، وبعضها الآخر ذو كثافة منخفضة مثل الخشب.
هناك عاملان أساسيان مرتبطان بالكثافة، وهما الكتلة والحجم. الكتلة تعبر عن كمية المادة في الجسم وتقاس بالجرامات أو الكيلوجرامات، وكلما زادت الكتلة زادت الكثافة. أما الحجم، فهو المساحة التي يشغلها الجسم ويقاس باللترات أو الميليلترات أو المترات المكعبة. هذه هي قوانين الكتلة والحجم والكثافة. وتتأثر الكثافة أيضا بعاملين مهمين، وهما
- الحرارة
توجد علاقة عكسية بين الكثافة والحرارة، حيث يزداد حجم المادةعندما ترتفع درجات حرارتها، وتتباعد جزيئاتها عن بعضها البعض، مما يقلل من كثافتها.
- الضغط
توجد علاقة عكسية بين الكثافة والضغط، حيث تتقارب جزيئات المادة عندما يكون الضغط عاليًا، مما يقلل من حجمهاويزيد من كثافتها.
تصنيف الكثافة
- تحدد كثافة الكتلة مدى تركيز المادة الموجودة داخل الجسم.
- تُقاس كُثافَةُ التيّارِ بِمَدى تَركيزِ الشحناتِ داخِلَهُ.
- الكثافة الشحنية هي التي تقيس مدى تركيز الشحنة داخل الملف.
- الكثافة الطاقوية هي التي تحدد كمية الطاقة المتاحة.
- كثافة القوة وتعني كمية القوة.
- الكثافة الهوائية هي التي تحدد تركيز الهواء في الفراغ.
- الكثافة السطحية للجسم هي التي تقيس المساحة.
- تشير الكثافة الطولية إلى وحدة الطول في الجسم.
- تقيس الكثافة النسبية للمواد بشكل نسبي.
- الكثافة النوعية هي كثافة محددة لنوع معين.
الطفو
تطفو على سطح السائل المواد أو الأجسام التي يكون كثافتها أقل من كثافة السائل، وتغرق إذا كانت كثافة الجسم أكبر من كثافة السائل، وتنقسم الأجسام الصلبة إلى قسمين
- تشير الأجسام المصمتة إلى الأجسام التي تطفو على سطح الماء إذا كانت كثافتها أقل من كثافة الماء ، مثل قطعة الخشب، وتغوص في الماء إذا كانت كثافتها أعلى من كثافة الماء أو السائل، مثل الحديد.
- تحسب أجسام السفن وغيرها من الأجسام المجوفة كثافتها الكلية بأنها أكبر من كثافة الماء، وبالتالي فإنها ستغرق في الماء أو في أي سائل آخر، وإذا كانت كثافة الأجسام أقل من كثافة الماء، فسوف تطفو على سطح الماء أو سطح السائل، ويتم حساب الكثافة الكلية عن طريق تقسيم الكتلة الكلية إلى الحجم الكلي للجسم.
قوة الطفو
الطفو هو القوة التي تسمح للأشياء بالطفو على السطح، وتحدث هذه القوة عندما يكون الجسم غارقا جزئيا أو كليا في سائل. يحدث الطفو عندما تكون هناك اختلافات في الضغط على جوانب متقابلة من الجسم داخل السائل الثابت. لذلك، يعد الطفو نتيجة ظاهرة لقوة الطفو. عندما يكون الجسم في الماء، يزيل كمية من الماء بسبب وزنه، ويمكن حساب هذه الكمية المزالة باستخدام كثافة الجسم وارتفاعه.
وكان العالم اليوناني أرخميدس أول العلماء في دراسة طفو الأجسام الصلبة أو إنغمارها في السوائل لذلك هو صاحب الفضل في بناء أضخم وسائل النقل البحري لأنها تم بناءها تبعاً لقاعدة العالم أرخميدس حيث أن قوة الطفو تمثل وزن الجسم الموجود في السائل مطروح من هذا الوزن وزن الجسم في الهواء والذي يساوي وزن السائل المزال.
وتوضح نظرية أرخميدس أن الجسم المغمور في السائل يفقد من وزنه نفس المقدار من وزن السائل المزال لذلك قوة الطفو تحدد قدرة الجسم في الإنغمار في السائل أو الطفو على سطح السائل في إذا كانت قوة الطفو أقل من الوزن إذاً سوف ينغمر الجسم في السائل مثل الحديد وفي حال إذا كان الجسم متساوي في قوة الطفو مع الوزن فسوف يصبح الجسم مستقر على سطح الماء والقاع مثل الغواصات.
تطبيقات الطفو
تعود قوة الطفو إلى طفو السباحين والأسماك والسفن والجبال الجليدية، وهذه بعض التطبيقات العملية للطفو
- الغواصة
تطفو الغواصة بسبب احتوائها على خزان كبير الحجم يستخدم للتحكم في موقعها وعمقها تحت سطح البحر، وعندما تغمر هذه الغواصة في القاع فإنها تملأ الخزان بالماء لتصبح وزنها أكبر من قوة الطفو.
- المنطاد
يتم استخدام الغلاف الجوي المليء بالهواء في المنطاد لإتاحة فرصة الطفو عن طريق استخدام الهواء الساخن، ويتم تثبيت المنطاد في الهواء عندما يتساوى وزن المنطاد مع قوة الطفو، ويتم خفض المنطاد عندما يزيد وزن المنطاد عن قوة الطفو.
- السفينة
تطفو السفينة على سطح البحر عندما يكون وزنها متساويًا لوزن الماء الذي ازاحته السفينة، وصممت السفينة بشكل مجوف حتى يكون الكثافة الكلية للسفينة أقل من كثافة الماء في البحر، مما يساعد قوة الطفو على تحمل وزن السفينة.
- الأسماك
تعتمد حركة الأسماك على مبدأ أرخميدس في التنقل بين الأعماق والسطح، حيث تملأ الأسماك الأكياس الهوائية بالغاز عندما تطفو إلى سطح البحر، وعندما يتحرك الغاز داخل هذه الأكياس الهوائية فإن السمكة يمكنها الطفو إلى الأعلى.
أنواع الطفو
يوجد عدة أنواع رئيسية للطفو، وتصنف أنواع الطفو حسب طفو الأجسام على سطح السائل، وتستخدم أنواع الطفو في حياتنا اليومية، وفيما يلي بعض الأنواع الناتجة عن قانون الطفو
- الطفو الإيجابي
يحدث الطفو الإيجابي عندما يكون وزن الجسم أخف من السائل الذي يحيط به، ويرجع ذلك إلى أن قوة الطفو تكون أكبر من وزن الجسم، مما يسبب الطفو للجسم.
- الطفو السلبي
يحدث الطفو السلبي عندما يصبح وزن الجسم أثقل من السائل الذي يحتوي عليه، مما يؤدي إلى غرق الجسم أو انغماره في الماء، لأن وزن الجسم يزيد عن قوة الطفو.
- الطفو المحايد
يحدث الطفو المحايد عندما يكون وزن الجسم متساويًا مع كمية السوائل التي يزيلها، وبالتالي يصبح الجسم ثابتًا.