قانون الطفو ـ قاعدة أرخميدس
من المعلوم لدينا أن السفن المصنوعة من الفولاذ على سطح الماء. والغواصات تغوص الغواصات تحت الماء. وكذل نشعر بأنننا أخف وزناً عندما نسبح تحت الماء.
ما هو السر في ذلك
للتعرف على ذلك نقوم بتنفيذ النشاط التالي:
1- علق جسماً باستخدام ميزان زنبركي وسجل قراءة الميزان .
للتعرف على ذلك نقوم بتنفيذ النشاط التالي:
1- علق جسماً باستخدام ميزان زنبركي وسجل قراءة الميزان .
3- أوجد وزن الماء المزاح وسجله.
ما هي الإستنتاجات التي حصلت عليها ؟
1- عند غمر الجسم بالماء ينقص وزنه .
2- يكون وزن الجسم بمقدار قوة دفع الماء له ( قوة الطفو ) .
3- حجم الماء المزاح = حجم الجزء المغمور من الجسم أو الجسم كله
4- قوة الطفو = وزن الماء المزاح
5- قوة الطفو = وزن الجسم الحقيقي – وزن الجسم الظاهري
كل الإستنتاجات السابقة يمكن تلخيصها في
نص قاعدة أرخميدس :
"إذا غمر جسم في سائل فإنه يفقد من وزنه بمقدار وزن السائل المزاح".
ويمكننا إستنتاج التعبير الرياضي لهذه القاعدة كالتالي :
لو قمنا بغمر جسم على شكل متوازي مستطيلات مساحة سطحه العلوي والسفلي ( س ) وارتفاعه ( ع ) في سائل ما كثافته ( ثَ ) وغاص الجسم إلى عمق مقدراه ( ل ) ( من سطح السائل إلى السطح العلوي للجسم ).
ماذا نستنتج ؟ القوة التي يؤثر بها السائل على السطح السفلي للجسم أكبر منها على سطحه العلوي
= ض سفلي ( مساحة السطح السفلي ) – ض علوي ( مساحة السطح العلوي )
= ( ل + ع ) ثَ جـ س – ل ثَ جـ س
= ل ثَ جـ س + ع ثَ جـ س – ل ثَ جـ س
= ع ثَ جـ س
ويمكننا إستنتاج التعبير الرياضي لهذه القاعدة كالتالي :
لو قمنا بغمر جسم على شكل متوازي مستطيلات مساحة سطحه العلوي والسفلي ( س ) وارتفاعه ( ع ) في سائل ما كثافته ( ثَ ) وغاص الجسم إلى عمق مقدراه ( ل ) ( من سطح السائل إلى السطح العلوي للجسم ).
ماذا نستنتج ؟ القوة التي يؤثر بها السائل على السطح السفلي للجسم أكبر منها على سطحه العلوي
ومحصلة هاتين القوتين هي قوة إلى أعلى تعمل على دفع الجسم إلى أعلى ( قوة الطفو ) وهي المسؤولة عن نقصان وزن الجسم عند غمره في السائل.
قوة الطفو = القوة المؤثرة على السطح السفلي للجسم – القوة المؤثرة على السطح العلوي للجسم= ض سفلي ( مساحة السطح السفلي ) – ض علوي ( مساحة السطح العلوي )
= ( ل + ع ) ثَ جـ س – ل ثَ جـ س
= ل ثَ جـ س + ع ثَ جـ س – ل ثَ جـ س
= ع ثَ جـ س
لكن ع × س = حجم السائل المغمور = حجم السائل المزاح
قوة الطفو = حجم السائل المزاح × ثَ × جـ
= كتلة السائل × جـ
= وزن السائل المزاح
وزن الجسم في السائل ( الوزن الظاهري ) = وزن الجسم في الهواء – وزن السائل المزاح
= ح ث جـ ـ ح ثَ جـ
وزن الجسم الظاهري = ح جـ ( ث ـ ثَ )
ظواهر توضح قـاعدة الـطفـو وقاعدة أرشميدس :
ــ تستطيع رفع الأجسام المغـمورة في الماء بسهـولة عنها لو كانت في الهواء
ــ طفو قطعة فـلين أو خـشب عند غمرها في المــاء
ــ تـشـعـر بقـوة تـدفعــــك إلى أعـلـى عـند السبـاحــة في المـــــاء
ــ يغوص مسمار من الحديد بالماء بينما تطفو سفينة حديد كبيرة على الماء
ــ ترتفع البالونات المليئة بالهليوم إلى أعـلى
ــ يـسهل عـليك السباحة في الماء المالح(البحر)عنه في الماء العـذب(النهر)
ــ طفو قطعة فـلين أو خـشب عند غمرها في المــاء
ــ تـشـعـر بقـوة تـدفعــــك إلى أعـلـى عـند السبـاحــة في المـــــاء
ــ يغوص مسمار من الحديد بالماء بينما تطفو سفينة حديد كبيرة على الماء
ــ ترتفع البالونات المليئة بالهليوم إلى أعـلى
ــ يـسهل عـليك السباحة في الماء المالح(البحر)عنه في الماء العـذب(النهر)
تطبيقات عملية على قانون الطفو:
من أهمّ التطبيقات على مفهوم قانو الطفو هي:
طفو السفن: من خلال قانو الطفو إستطاع العلماء جعل حجم والتجويف الداخلي لسفن كبيرة الحجم ، ولهذا تكون كثافتها أقل من كثافة الماء ممّا يجعلها تطفو فوق سطحح الماء.
قياس كثافة السوائل المجهولة: حيث إستطاع العلماء صناعة من خلال قانون الطفوصناعة جهاز الهيدروميتر لقياس كثافة السوائل المجهولة ، وذلك اعتماداً على قانون الأجسام المغمورة جزيئاً.
صناعة الغواصات: تعتمد الفكرة الأساسية لصناعة الغواصات على فكرة صناعة السفن ، حيث تصنع من هيكل معدني ذات تجويف كبير جداً مما يجعل كثافتها أقل من كثافة الماء، ولجعل الغواصة تغوص إلى أعماق المياه يتمّ تعبئة بعض الخزانات الموجودة بداخلها بالماء ، بحيث تزداد كثافتها وهذا يجعلها تغوص إلى داخل الماء، وعندما نريد رفعها إلى السطح يتمّ تفريغ هذه الخزانات فتطفو إلى الأعلى.