ما نص قاعدة أرشميدس؟

1 إجابة واحدة

تقول قاعدة أرشميدس: إنّ القوّة التي تؤثر أو تسبب طفو جسم مغمور بشكل كلي أو جزئي في الماء تساوي وزن السّائل المُزاح. وبفضل هذا المبدأ فإننا نستمتع بعددٌ كبير من التطبيقات في وقتنا الحاضر، لفائدته في تصميم الغواصات والسّفن، وحسابات كثافة المواد.

صاحب هذا المبدأ هو المخترع والرياضي اليوناني أرشميدس (ولد 287- توفي 212 ق.م)، والذي أسس المبدأ قبل وقت طويل من ظهور مبادئ القوة.

ويشير مبدأ أرشميدس إلى قوة الطفو التي تنتج عند غمر جسم في سائل ما، بشكل كامل أو جزئي. تعمل القوة التي تولد ضغط السائل على الجسم بشكل متعامد مع سطح الجسم. بمعنى آخر: القوة التي يسببها الضغط في الأسفل تندفع لأعلى، بينما القوة التي يسببها الضغط في الأعلى تُوجه لأسفل، أما القوى التي يسببها الضغط على الجوانب فتوجه نحو الجسم، وبما أن أسفل الجسم على عمق أكبر من قمته، فإن الضغط على الجزء الأسفل من الجسم يكون أكبر من الضغط على القسم العلوي، لذلك تضغط قوة متجهة لأعلى على الجسم. هذه القوة الصاعدة هي قوة الطفو أو ببساطة “الطفو” (buoyancy)، وتعرّف على أنها القوة الصاعدة التي تؤثر على أي جسم في أي سائل.

وإذا رميت كتلة من الطين في الماء، ستغرق. لكن إذا شكلت من نفس قطعة الطين قاربًا، فإنه سيطفو، والسبب يعود إلى شكله، فقارب الطين يزيح كمية من الماء أكبر مما تزيحه كتلة الطين، وبذلك تؤثر عليه قوة طفو أكبر؛ رغم أن كتلته هي نفسها، وينطبق ذات الأمر على السفن المصنوعة من الفولاذ.

إن متوسط كثافة جسم ما هي ما يحدد أساسًا إذا كان قابلًا للطفو. فإذا كان متوسط كثافة الجسم أقل من متوسط كثافة السائل المحيط به، فإنه سيطفو. والسبب أن ارتفاع كثافة السائل يعني أن كتلته أكبر، أي يمتلك وزنًا أكبر بنفس الحجم، وبالتالي فإن قوة الطفو التي تساوي وزن السائل المُزاح هي أكبر من وزن الجسم. وبطريقة مماثلة فإن الجسم ذي الكثافة الأكبر من السائل سيغرق.

يعتمد مقدار غمر الجسم الطافي على كثافة الجسم مقارنة بكثافة السائل. على سبيل المثال: السفينة مفرغة الحمولة أقل كثافة وأقل انغمارًا مقارنة بنفس السفينة عند تحميلها.

يمكن أن نشتق مقدار كمي للجزء المغمور بأخذ الكثافة بعين الاعتبار، فالجزء المغمور هو نسبة حجم الغمر إلى حجم الجسم، أو الحجم المغمور يساوي حجم السائل المزاح.

وبالإمكان تطبيق القانون أرشميدس على الهواء أيضًا، مثلًا يفقد الخشب والحديد من وزنهما الحقيقي بمقدار ما يزيحان من هواء، أي تلك الكمية من الهواء التي كانت لتملأ الحيز الذي يشغله طن الخشب أو الحديد.

وإذا أردنا المقارنة بين وزنيهما الحقيقيين، ينبغي أن نضيف كمية الهواء المزاح إلى المعادلة، وبذلك نقارن بين وزن طن الخشب+ وزن الهواء الذي كان يشغل حيز طن الخشب، وبين وزن طن الحديد+ وزن الهواء الذي كان يشغل حيز طن الحديد.

وبما أن كثافة الخشب أقل من كثافة الحديد، فإن طن الخشب يشغل مكانًا أكبر من طن الحديد بـنحو 15 مرة، وعلى ذلك فإن الوزن الفعلي لطن الخشب أكبر من وزن طن الحديد الفعلي.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما نص قاعدة أرشميدس؟"؟