يمكن إيجاد كثافة جسم باستخدام
يمكن حساب الكثافة للجسم بواسطة الصيغة التالية باستخدام الكتلة والحجم
ρ = m/V.
حيث إنّ:
ρ هي الكثافة
M: الكتلة
V: الحجم
الكثافة هي خاصية مادية فريدة للجسم، وتعبر عن مدى تماسك المادة معًا. واكتشف العالم اليوناني أرخميدس مبدأ الكثافة، ومن السهل حسابها في حالة معرفة المعادلة السابقة.
بشكل عام، المواد السائلة تكون أقل كثافة من المواد الصلبة، والغازات تكون أقل كثافة من المواد السائلة. يحدث ذلك بسبب وجود جزيئات مكدسة بكثافة في المواد الصلبة، وبينما المواد السائلة تحتوي على جزيئات يمكنها الانزلاق حول بعضها البعض، والغازات تحتوي على جزيئات حرة تتحرك في كل اتجاه.
مصطلحات تتعلق بالكثافة
تشمل المصطلحات الهامة للكثافة الكتلة والحجم، حيث تُستخدم الكتلة لحساب كمية أو مقدار المادة داخل أي جسم، وتتم حساب الكتلة باستخدام الميزان بأنواعه المختلفة، وتُقاس الكتلة بالجرام (ج) أو الكيلوجرام (كغ)
يتم استخدام مصطلح الحجم للإشارة إلى مساحة الحيز الذي يحتله أي جسم ثلاثي الأبعاد. يتم حساب الكثافة عن طريق قسمة الكتلة على الحجم، ولا يعني تساوي حجم جسمين تساوي كثافتهما لأن كل جسم له كتلته الخاصة به، وبالتالي فإن زيادة الكتلة تزيد الكثافة وزيادة الحجم تقلل الكثافة. وبذلك تم ذكر قوانين الكتلة والحجم والكثافة
ما هي كثافة الأجسام
الكثافة هي صفة فيزيائية للأجسام، وتعبر عن كمية الكتلة الموجودة في مساحة محددة من الفراغ. يرمز للكثافة بالرمز “P” في المعادلات الرياضية. يتم قياس كثافة الأجسام بوحدة الكيلوجرام لكل متر مكعب، ويرمز لها بالرمز “كجم/م3” بالعربية. يمكن أيضا قياس الكثافة بواسطة وحدات قياس أخرى مثل السنتيمتر لكل جرام، ويرمز لها بالرمز “g/cm3.” يتم استخدام الرمز “M” للإشارة إلى كتلة الجسم وتقاس بوحدة الكيلوجرام، بينما يستخدم الرمز “V” للإشارة إلى حجم الجسم وتقاس بوحدة المتر
لكل مادة كثافة مختلفة ومن أسباب أختلاف الكثافة لكل مادة هي درجة الحرارة والضغط ويكون هذا الأختلاف صغيراً إذا كانت المواد صلبة أو مواد سائلة ولكن في المواد الغازية يكون الأختلاف كبير لأن زيادة الضغط في المواد الغازية يقلل من حجم المواد وبالتالي يزيد كثافته بشكل كبير ولكن زيادة درجات الحرارة على المواد تقلل من كثافته بسبب زيادة حجمه.
كيفية حساب الكثافة لجسم ما
يكون أستخدام الكثافة مهم واساسي في المجالات والتخصصات العلمية وبالتحديد في الجيولوجيا وعلم الفلزات لأن الكثافة تقوم بتحديد قدرة جسم معين على الطفو على سطح السائل مثل الماء أو غيره من السوائل وأيضاً للقيام بحساب كثافة الجسم وللقيام بهذه الحسابات يجب إجراء مجموعة من الخطوات مثل الآتي
- حساب كتلة الجسم
والكتلة هي مقدار المادة الموجودة داخل أي جسم أي ما يحتويه الجسم من هذه المادة ويتم حساب الكتلة عن طريق حساب وزن الجسم بالميزان وإذا كان هذا الجسم سائل أو مسحوق فيتم أستخدام وعاء ويتم حساب الكتلة عن طريق حساب وزن الوعاء وهو فارغ أولاً ثم وضع الجسم في الوعاء ثم طرح الوزن الخاص بالوعاء من الكتلة الإجمالية.
- حساب حجم الجسم
الحجم هو المساحة التي يشغلها الجسم، وهناك طرق مختلفة لحساب حجم الجسم وحساب هذا الاختلاف يعتمد على طبيعة حجم الجسم، وسنوضح طرق حساب حجم الجسم وفقا لطبيعة كل جسم، وهذا هو شرح قانون الحجم
في حالة وجود جسم صلب يتكون من أبعاد منتظمة، يمكن قياس حجم الجسم عن طريق قياس الطول والعرض والارتفاع، مثل المكعب أو المستطيل المتوازي وغيرهما. أما إذا كان الجسم أسطوانيا، يتم قياس القطر والطول. وبموجب القانون المعتمد لحجم الجسم المقصود، يتم حساب حجم الجسم، سواء كان هرميا أو أسطوانيا أو مكعبا أو مستطيلا متوازيا.
إذا كان الجسم صلب ومكونا من أبعاد غير منتظمة مثل الصخور، يتم حساب حجمه عن طريق وضعه في الماء ثم حساب حجم الماء الذي يتم سحبه بواسطة الجسم إلى أعلى، وهذه الخاصية هي التي تحدد إمكانية غمر الجسم الصلب في السائل، وتعتمد هذه الطريقة على مبدأ أرخميدس الذي يفسر أن حجم الجسم يساوي حجم الماء الذي يتم سحبه إلى أعلى بعد وضع الجسم في الماء.
إذا كان الجسم سائل يتم وضعه في إسطوانة بتدرجات شكلية ثم يتم التركيز على قراءة الميزان عند توقف الجسم، وهذه هي طريقة حساب كثافة السوائل
- إيجاد حاصل قسمة كتلة الجسم على حجمه
يتمثل الكثافة في ناتج قسمة كتلة الجسم على حجمه، وتستخدم وحدة الكتلة كوحدة للكثافة.
تحديات قياس الكثافة الدقيقة
- الفقاعات
هذه الطريقة هي الأكثر استخدامًا بشكل خاطئ في إجراء الاختبارات وذلك لأنها تسبب البلل في العينة، لذلك عند غمر العينة في السائل يجب إزالة جميع الفقاعات الملتصقة في العينة، لأن الفقاعات الباقية ستطفو وهذا يؤدي إلى خطأ كبير في حساب الكثافة، لذلك ننصح باتباع الإرشادات التالية:
- تتم إزالة الشحوم الموجودة في المواد الصلبة المقاومة للمذيب.
- يجب عدم لمس الجسم المطلوب غمره في السائل باليد العارية.
- يجب استخدام عوامل ترطيب أو سوائل عضوية.
- تنظيف المعدات المستخدمة بإنتظام وبشكل مستمر.
- استخدام فرشاة ناعمة تزيل الفقاعات الهوائية الموجودة.
- درجة الحرارة
أجسام المواد الصلبة تكون غير متفاعلة إتجاه التقلبات في درجات الحرارة المختلفة المحيطة بالجسم وبالتالي أختلاف درجات الحرارة لا يؤدي إلى أي تغير أو أختلاف في كثافة الجسم ولكن عند أستخدام أي سائل لحساب الكثافة يجب مراعاة الأختلاف في درجات الحرارة لأن درجات الحرارة لها تأثير سريع وقوي في السوائل وتتسبب في تغير الكثافة.
- قياس الوزن
يلعب الوزن دورًا كبيرًا وهامًا في تحديد الكثافة، ولذلك يجب اختيار الميزان المستخدم بعناية شديدة لتحديد الكثافة بدقة، ويجب معرفة أقل وزن صافي يمكن أن يقيسه هذا الميزان لتحديد أقل وزن يمكن تحديده بدقة عالية.
تطبيقات عملية على الكثافة
- السفن والغواصات
وهي من أكبر التطبيقات العملية على الكثافة بسبب تحديد سلوك هذه الأجسام في الماء فهناك الأجسام الذي تطفوا فوق سطح الماء وذلك بسبب أن كثافتها أقل من كثافة الماء والأنواع الأخرى من الأجسام لا تستطيع الطفو وتغرق لأن كثافتها أقل من كثافة الماء أيضاً ولكن تطفوا السفينة فوق سطح الماء لأنها تحتوي على ثقل توازني في قاع السفينة وهذا يسمى خزانات الموازنة وهي عبارة عن صهريج ملئ بالهواء وتكون هذه الصهاريج صاحبة حجم كبير جداً وكتلة صغيرة وهذا يعني أن كثافتها قليلة، هذا بجانب قوة الطفو القادمة من الماء إلى السفينة حتى تستطيع السفينة أن تطفو على سطح الماء وعلى العكس تماماً تقوم الغواصات بتفريغ صهاريج الهواء حتى تتمكن من الغوص في أعماق الماء.
- الأنابيب
يُعَدُّ تدفق السوائل داخل الأنابيب من التطبيقات الهامة للكثافة، ويتبع ذلك قانون برنولي الذي يفسر أن كثافة السائل لها تأثير واضح على سرعة السائل وضغطه وارتفاعه، حيث تكون كثافة السوائل المتدفقة مرتفعة ويقل ضغطها وسرعتها وارتفاعها. ويتم استخدام قانون برنولي من قبل المهندسين.
- توزيع وزن الطائرة
تعتمد قدرة الطائرة الأساسية على الضغط والسرعة، بالإضافة إلى التأثير المتعلق بالكثافة. يجب ملاحظة أن كثافة الطائرة تتغير بمرور الوقت بسبب التغيرات في الوزن الناتجة عن نقص الوقود في المحركاتأثناء الرحلة، مما يؤدي إلى عدم تساوي الكثافة في الطائرة. ومع تغير الوزن، يتغير مركز الكتلة للطائرة.