هل تساءلت يومًا لماذا تطفو بعض الأشياء بينما يغرق البعض الآخر؟ هل تعلم أن كل جسم في سائل يتعرض لقوة تصاعدية من السائل؟ دعنا نحفر ونكتشف المزيد.
أهداف التعلم
بحلول نهاية هذا الموضوع ، من المتوقع أن:
مقدمة
تتعرض جميع الكائنات في السائل لقوة تصاعدية من السائل سواء كانت مغمورة أو عائمة. يشار إلى هذه القوة الصاعدة باسم القوة الصاعدة . تسمى القوة الصاعدة أيضًا قوة الطفو ويُشار إليها بالحرف "u".
مبدأ أرخميدس
أجرى عالم يوناني ، يُدعى أرخميدس ، التجارب الأولى لقياس قوة الدفع على جسم ما في سائل. ينص مبدأ أرخميدس على أنه "عندما يكون الجسم مغمورًا بالكامل في سائل ، فإنه يواجه قوة صاعدة تساوي وزن السائل المزاح".
عند غمر مادة صلبة في سائل ، فإن الاندفاع نحو الأعلى على هذه المادة الصلبة سيكون مساويًا لوزن الماء المزاح.
على سبيل المثال ، كتلة معدنية حجمها 60 سم 3 ووزنها 4.80 نيوتن في الهواء مغمورة في سائل. حدد وزن الكتلة عندما تكون مغمورة بالكامل في سائل كثافته 1200 كجم -3 .
حل
حجم السائل المزاح = 60 سم 3 = 6.0 × 10-5 م 3 .
وزن السائل المزاح = الحجم × الكثافة 6.0 × 10-5 × 1200 × 10 = 0.72 نيوتن
Upthrust = وزن السائل المزاح. وزن الكتلة في السائل = 4.80 - 0.72 = 4.08 نيوتن
الأجسام العائمة
الأجسام التي تطفو في السوائل أقل كثافة من السوائل التي تطفو فيها. يمكن تحديد العلاقة بين وزن السائل المزاح ووزن الجسم.
وزن السائل المزاح يساوي وزن كتلة في الهواء. هذا يتوافق مع قانون الطفو الذي ينص على أن "الجسم يزيح وزنه". يمكن تمثيل هذه العلاقة رياضيًا كما هو موضح أدناه ؛
الوزن = الحجم × الكثافة × الجاذبية = v × ρ × جم
W = vd × ρ × g حيث vd هو حجم السائل المزاح.
لاحظ أن الطفو هو نوع خاص من مبدأ أرخميدس. وذلك لأن الجسم العائم يغرق حتى يتساوى الوزن الصاعد مع وزن الجسم.
الكثافة النسبية
تم تحديد الكثافة النسبية كنسبة كثافة مادة إلى كثافة الماء. بموجب قانون التعويم ، يزيح الجسم مائعًا يساوي وزنه ، وبالتالي ، يمكن إنشاء التعبيرات الرياضية التالية.
الكثافة النسبية = \(\frac{\textrm{ density of substance}}{\textrm{density of water}}\) = \(\frac{\textrm{weight of substance}}{\textrm{weight of equal }volume of water}\) = \(\frac{\textrm{mass of substance}}{\textrm{mass of equal volume of water}}\)
تطبيقات الكثافة النسبية ومبدأ أرخميدس
1. السفن . هل تساءلت يومًا لماذا تغرق إبرة حديدية في الماء على الفور ولكن ليس سفينة كبيرة؟ الجواب هو مبدأ أرخميدس. يغرق الظفر لأن وزن الماء المزاح أقل من وزن الإبرة - كثافة الحديد أكبر من كثافة الماء. يطبق مبدأ أرخميدس في بناء السفن. تُترك أجزاء كبيرة من السفينة مجوفة لجعل وزن السفينة أقل من الماء المزاح. قوة طفو مقدارها مساوٍ للماء المزاح تُبقي السفينة واقفة على قدميها.
2. الغواصات . يمكن أن تطفو الغواصة على الماء ويمكن أيضًا غمرها. يتم تحقيق ذلك عن طريق الصابورة والخزانات المضغوطة. عندما يمتلئ خزان الصابورة بالماء ، يتم غمر الغواصة. هذا لأنه يحتوي على كثافة أعلى من الماء المزاح. عندما يتم طرد الماء في خزان الصابورة ، بمساعدة من الخزان المضغوط ، تقل كثافة الغواصة أقل من كثافة المياه النازحة. لذلك ، فإن الغواصة قادرة على الطفو.
3. بالونات الهواء الساخن . يرتفع البالون في الهواء عندما يكون للهواء المحيط به وزن أكبر من وزن البالون. عندما يتساوى الوزن ، يظل البالون ثابتًا.
4. المكثفات . هذه أداة تستخدم لقياس الثقل النوعي أو الجاذبية للسوائل. يتكون من أنبوب زجاجي مجوف ذو قاعدة عريضة على شكل لمبة ومغلق من كلا الطرفين. يتم قياس مستوى مقياس السوائل المغمور في سائل والماء المزاح بواسطة مقياس كثافة السوائل من أجل الحصول على الثقل النوعي للسائل. إذا غرق مقياس كثافة السوائل بشكل أعمق ، فهذا يدل على أن عينة التربة لديها جاذبية أقل نوعية.
