قانون الطفو

لماذا تطفو السفن العملاقة في وسط البحر، على الرغم من وزنها الذي يتجاوز مئات الأطنان؟ ولماذا يجد ممارسو رياضة الغوص حمل الأجسام الثقيلة داخل الماء أسهل بكثير من حملها خارجه؟ ولماذا تطفو تلك السفن الضخمة في حين يغرق مسمار صغير؟ جميع هذه الأسئلة مرتبطة بظاهرة هامة وهي ظاهرة الطفو. في هذه المقالة سنشرح مفهوم هذه الظاهرة وقانون الطفو الذي اكتشفه العالم أرخميدس.

ما هو الطفو ؟

الطفو هي ظاهرة تحرك الأجسام في الموائع (السوائل والغازات) إلى الأعلى إذا كان محيطها أعلى كثافةً منها، مثل طفو الخشب على الماء وطفو الزيت على الماء وطفو السفن والغواصات، وتسمى القوة المؤثرة على الجسم دفع الماء على الجسم.

قوة الطفو هي الفرق بين وزن الجسم الفعلي دون المائع (السائل أو الغاز) ووزنه الظاهري في الوسط المائي المحيط، ويتم قياس وزن الجسم الفعلي بالكتلة المضروبة في عجلة الجاذبية الأرضية.

مفهوم الطفو وقانونه

في دراسة أرخميدس الشهيرة، وجد العالم أربع نتائج مهمة عند غمر جسم كليًا أو جزئيًا في سائل معين، وكانت هذه النتائج كالتالي: يبدو الجسم المغمور كأنه فقد جزءًا من وزنه بسبب وجود قوة دفع من السائل المغمور على الجسم، وتكون اتجاه هذه القوة صعوديًا.

وجد أرخميدس، العالم اليوناني القديم، أن قوة الدفع تتناسب طرديًا مع كثافة السائل، وكلما زادت كثافة السائل زادت قوة دفع الأجسام.

اكتشف أرخميدس أن قوة السائل المزاح تعتمد على حجمه، فعند وضع جسم داخل السائل، يرتفع هذا السائل بشكل أكبر، كلما ازداد حجم الجزء الذي ارتفع، زادت قوة دفع السائل.

هذا يعني أن مقدار القوة الدافعة للسائل يساوي وزن السائل المنبعث، وإذا تم حجز السائل بين الارتفاعين القديم والجديد، فإن مقدار القوة الناشئة عن هذا السائل يساوي وزن السائل الذي يتم حجزه بين الارتفاعين.

الطفو والكثافة

إذا كان وزن جسم شخص ما أقل من وزن الماء المزاح عند انغماره بالكامل في الماء وبنفس حجم الجسم، فإن كثافة الجسم تكون أقل من كثافة الماء.

2- وبالتالي يطفو الجسم حتى يصبح وزنه مساويا لوزن الماء المحتوي عليه.

3- إذا كان وزن الجسم أكبر من وزن الماء المزاح عند انغماره بالكامل (مثل النحاس)، فسوف يغوص في الماء، ولكنه سيطفو إذا كان فارغا ويحتوي على كمية كافية من الهواء. التفسير العلمي لذلك هو أن كثافة الجسم عند النحاس الطافي ستشمل النحاس والهواء الموجود فيه، وستكون أقل من كثافة السائل، وبالتالي فإنه سيطفو.

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

وحدة الكثافة تُقاس بالكيلوجرام / متر مكعب.

تتضمن الاستنتاجات لهذه النظرية أنه إذا كان جسم مصنوع من مادة ذات كثافة أعلى من المائع (سوائل أو غازات)، مثل جسم من الحديد في الماء، فإنه سيغوص في السائل أو الغاز المحيط.

إذا كان الجسم مصنوعا من مادة ذات كثافة عالية مثل الحديد ويحتوي على حجم معين من الهواء المحتجز، فإن دفع الماء سيجعله يطفو.

يفسر هذا الأمر طفو السفينة الضخمة وغرق المسمار الصغير، حيث تم تصميم جسم السفينة ليزح مقداراً كبيراً من الماء، ويوضح ذلك أن طفو جسم ما لا يعتمد على وزنه فحسب، بل يعتمد أيضاً على كمية الماء التي يزحها.

ويمكن لتوضيح قاعدة الطفو القول بأنه عند وضع الجسم في الماء، يتعرض لقوة دفع من أسفل إلى أعلى تعادل وزن كمية الماء التي يزاحها، وبالتالي يطفو الجسم إذا كان يزاح ماء بوزن أكبر من وزنه ويسمى جسما موجبا للطفو، بينما يغوص الجسم إذا كان يزاح ماء بوزن أقل من وزنه ويسمى جسما سالبا للطفو، وإذا كان الجسم يزاح ماء بوزن يساوي وزنه، فلن يطفو أو يغوص وسيبقى عائما، ويسمى جسما متعادلا للطفو، ومثال على ذلك الحشرات التي تسير على الماء.