قوة الطفو

قوة الطفو , قبل البدء في التحدث عن قوة الطفو يجب علينا التعرف على معنى الطفو وكيف يحدث الطفو وأسباب حدوثه وقانون الطفو , حيث يعرف الطفو بأنه ظاهرة يحدث فيها تحرك الأجسام في الموائع أي ( السوائل والغازات ) إلى الأعلى إذا كان محيط هذه الأجسام أقل كثافة من الموائع ,مثل طفو الخشب والزيت على الماء ,أما اذا كانت كثافة هذه الأجسام أكبر من كثافة السائل فلن تطفو هذه الاجسام وسوف تغوص داخل هذا السائل , فهذه القوة التي تجعل الأجسام تطفو على سطح الماء تسمى بقوة الطفو (Buoyant Force) ويعرفها العلماء بأنها الفرق بين وزن الجسم الحقيقي ووزن الجسم الظاهري في السائل, وسوف نتحدث عنها بشكل تفصيلي في هذا المقال.

 

تاريخ قانون قوة الطفو :

يمتلك قانون الطفو قصة اكتشافة خاصة به , حيث أن القصة بدأت عند الملك هيرو الثاني فقد كان يمتلك تاج صنع من الذهب وصنع خصيصا له , وبسبب إنتشار بعض الصاغة الغير شرفاء الذين يتلاعبون بالوزن ؛ فأرسل الملك هيرو الثاني للعالم أرخميدس يطلب منه أن يحدد هل صنع هذا التاج من الذهب الخالص أو فيه فضة .

فقد حاول أرخميدس أن يكتشف أمر هذا التاج بصورة لا تلحق بهذا التاج أذى , وأخد يفكر كثير حتى جاء في خاطره فكرة وهي أن يضع هذا التاج في إناء مملوء بالماء ولاحظ أن مستوى الماء ارتفع عندما وضع التاج بداخله وقد علم أن هذا المقدار من الإرتفاع يمكنه من تحديد حجم التاج , باعتبار أن حجم الإرتفاع يعادل حجم التاج , وإذا عرف حجم التاج فسوف يعرف كثافته الكلية , بعدما عرف أرخميدس كثافة التاج قام بمقارنة كثافة التاج بكثافة الذهب , واكتشف أن قيمة الكثافتين مختلفتين عن بعض , لذا فأدرك أن التاج ليس مصنوع من الذاهب الخالص

 

قانون قوة الطفو :

يعود الفضل كله للعالم أرخميدس ( Archimedes ) لأنه أول عالم يقوم بدراسة الطفو , حيث استنتج نظريات أساسية عندما يغمر أي جسم داخل سائل معين في صورة جزئية أو كلية وتعرف كالأتي :

• إذا غمر أي جسم داخل سائل معين , فإن مقدار قوة دفع الجسم المغمور داخل هذا السائل تساوي وزن السائل المزاح , فإن حسبنا وزن المائع المحصور بين الإرتفاع القديو والأرتفاع الجديد , فإننا سنجد أن قيمة القوة التي نتجت عن طريقة السائل تعادل قيمة وزنه.

 

• وجد العالم أرخميدس أن وزن الجسم المغمور داخل السائل يقل وزنه عن ما كان عليه خارج هذا السائل ؛ وذلك بسب تأثير قوة الطفو الناتجة من السائل والتي ثوئر على الجسم المغمور بداخله.

 

• استنتج أيضا أن القوة الناتجة من السائل تتناسب بشكل طردي مع كثافة السائل , فعندما تزداد كثافة السائل فسوف تزداد قوة الطفو .

 

• القوة تتناسب طرديا مع الحجم , حيث وجد أن القوة الناتجة من السائل يعتمد اعتمادا  كليا على حجم السائل المزاح , فعندما نقوم بوضع جسم مثل قطعة من الخشب داخل السائل , فهذا السائل سوف يرتفع للأعلى عن ما كان عليه في حالته الطبيعية , فكلما زاد حجم هذا الجسم المغمور في السائل فسوف يزيد معدل ارتفاع السائل .

قاعدة أرخميدس في الطفو :

بعدما وضع العالم أرخميدس التظريات الأربعة , استنتج قاعدة جديدة سميت بقاعدة أرخميدس للأجسام المغمورة , وملخصها هو أن الجسم المغمور داخل سائل معين بشكل كل أو جزئي , فتتكون هنالك قوة من هذا السائل تسمى بقوة الطفو والتي تعمل على دفع السائل إلى الأعلى , حيث يكون قيمة هذه القوة المولدة من السائل تساوي وزن السائل المزاح .

العملية الحسابية لقوة الطفو :

لقد عرفنا أن الأجسام عندما تغمر داخل سائل معين تكون مغمورة على شكلين جزئي وكلي ؛ لذا وضع العالم أرخميدس قانونين لحساب قوة الطفو في كلا الشكلين الجزئي والكلي وهما :

حساب قوة الطفو في حالة الأجسام المغمورة كليا :

قوة الطفو=وزن الجسم في الهواء–وزن الجسم في السائل=حجم السائل المزاح×تسارع الجاذبية الأرضية×كثافة هذا السائل

حساب قوة الطفو في حالة الأجسام المغمورة جزئيا :

أما في حالة الأجسام التي تغمر داجل السائل بشك جزئي

قوة الطفو=وزن الجسم في الهواء=وزن السائل المزاح

ظواهر توضح قـاعدة الـطفـو وقاعدة أرشميدس :

• يسهل على الإنسان السباحة في الماء المالح اكثر من الماء العذب.
• أثناء السباحة  في الماء قد تشعر بقوة تدفعك للأعلى.
• البالونات المليئة بغاز الهيليوم ترتفع إلى أعلى قدر ممكن دون أن تسقط على الأرض.
• يستطيع الإنسان رفع الأجسام الثقيلة المغمورة داخل الماء بسهولة تامة عنها لو كانت على الأرض ؛ فنستنتج من هذه الظاهرة أن حجم الجسم المغمور داخل الماء يقل عن وزنه الحقيقي خارج الماء.
• عندما تضع مسمار في البحر فسوف يغوص وينزل إلى قاع البحر , بينما السفن ذات الأحجام الكبيرة تطفو على سطح البحر .
• بقاء الخشب والزيت وقطع الفلين على سطح الماء.

تطبيقات على قانون الطفو :

هناك بعض التطبيقات التي ابتكرها الإنسان لتسهل عليه حياته ومنها:

• الطب العلاجي :

  استخدم الأطباء قانون الطفو وقاعدة أرخميدس في مجال الطب , حيث يتم وضع المريض في بعض العلاجات في الماء بحيث يصبح وزن الجسم منعدما تقريبا فيستطيع المريض تحريك أصابعه بسهولة تامة.

• قياس مقدار الكثافة للسوائل المجهولة :

  استطاع علماء الفيزياء أن يخترعوا جهاز يسمى الهيدرواميتر ( hydrometer) , وهو يستخدم في قياس ومعرفة كثافة السوائل التي لا نعرفها أو المختلفة , حيث يعتبر من أهم الاختراعات التي تطبق قانون الطفو في حالة الأجسام المغمورة جزئيا داخل السائل.

• صناعة السفن :

  البعض يسأل لماذا تطفو السفية على الماء ؛لذا اعتمد العلماء على قانون الطفو ووظفوه لصناعة السفن , حيث أنهم جعلوا  التجويف الداخلي للسفن وحجمها كبير جدا ؛ لتكون كثافة السفن أقل من كثافة الماء حتى تطفو السفن على سطح البحر وتجنب غوصها في عمق البحر .

• صناعة الغواصات :

  لكي تكتمل النجاحات والاختراعات التي قدمها العلماء في مجال الطفو فقد أصروا على بناء الغواصات , حيث تعتمد الفكرة الأساسية لصناعة الغوصات على فكرة صناعة السفن , حيث قاموا بصناعة الغواصات بهيكل معدني ليجعل تجويفها الداخلي كبير جدا مما يجعل كثافتها أقل من كثافة الماء وهذا مطابق لما فعلوه في صناعة السفن , ولكي يجعلوا الغواصات تغوص في أعماق البحر قاموا بتعبئة بعض من الخرانات الموجودة في داخل الغواصة بالماء ليجعلوا وزنها كبير جدا ولكي تزداد كثافتها , وإذا أردنا أن نخرج هذه الغواصة من الماء نقوم بتفريغ هذه الخزانات من الماء لكي تطفو على سطح البحر .

علاقة طفو الجسم بالكثافة الخاصة به :

• في حالة إذا كان وزن الجسم المغمور داخل السائل في صورة كلية  أكبر من وزن الماء أو السائل المزاح , فسوف تساوي كثافة الجسم المغمور داخل الماء بشكل كلي مع كتلته في هذا السائل وما يحتويه من هواء بداخله.
• أما في الحالة الأخرى وهي إذا كان حجم الجسم إما عند إنغماره داخل الماء في شكل جزئي أو خارجه بنفس الحجم , وأقل من وزن الماء في كلتا الحالتين , فسوف تكون كثافة الجسم أقل من كثافة الماء , ونستنتج من هذا أن الجسم سوف يطفو على سطح الماء إلى أن يكون وزن الجسم مساويا وزن الماء المزاح .

هذا كل شئ عن قوة الطفو ,  نرجو أن نكون فى موقع قلمى وفرنا لكم كل المعلومات الذي تريدونها عن قانون الطفو و قاعدة أرخميدس

 

مصدر:طفو ويكيبيديا