الطفو
يعبّر مفهوم الطفو عن ظاهرة تحرّك الأجسام في الموائع أي الغازات والسوائل، فعلى سبيل المثال يطفو الخشب على سطح الماء، ويطفو المنطاد في الهواء، وتوضح قوة الطفو الفرق بين وزن الجسم الفعلي خالياً من المائع ووزن الجسم الظاهري في وسط المائع المحيط به، وقد ساعدت مفاهيم وقوانين قوّة الطفو على ابتكار العديد من التطبيقات المستخدمة في يومنا الحالي.
قانون قوة الطفو
استنتج العالم أرخميدس أربعة قواعد مهمّة عند غمر جسم داخل سائل معيّن كلياً أو جزيئاً، وهذه القواعد كالآتي:
- إنّ قيمة قوّة دفع السائل تساوي وزن السائل المزاح، فعندما نوزّن كمية السائل المحصور بين الارتفاع القديم والارتفاع الجديد، فإنّنا نلاحظ أنّ قيمة القوة الناتجة من السائل تساوي قيمة وزنه.
- إنّ مقدار القوة الناتجة من السائل يعتمد على حجم السائل المزاح، ولذلك عندما نضع جسم داخل سائل فإنّ السائل يرتفع ويصبح ارتفاعه أكبر من الارتفاع السابق له.
- تتناسب القوة الناتجة طردياً مع كثافة السائل، وبالتالي كلما ازدادت كثافة السائل تزداد قوة دفع الجسم.
- يكون اتّجاه قوة الطفو للأعلى؛ بسبب وجود قوة دفع من السائل على الجسم المغمور فيه؛ ولذلك تبدو الأجسام المغمورة وكأنّها فقدت بعضاً من وزنها.
تطبيقات على قانون الطفو
- بناء السفن البحرية: استناداً إلى مبدأ الطفو قام العلماء بصناعة سفن بالشكل المطلوب لتمكينها من الإبحار دون الغرق، وذلك من خلال جعل حجم التجويف الداخلي لها كبيراً جداً، وبالتالي تكون كثافتها أقل من كثافة الماء مما يمنحها القدرة على الطفو فوقها.
- قياس قيمة كثافة السوائل المجهولة: فمن خلال استخدام قانون الطفو تمكّن العلماء من تصميم جهاز الهيدروميتر لقياس قيمة كثافة السوائل غير المعروفة، وذلك استناداً على مبدأ الأجسام المغمورة جزئياً في المائع.
- صناعة الغواصات: أيضاً تمكّن العلماء من صناعة الغواصات اعتماداً على مبدأ الطفو من خلال تصميم هيكل معدني له تجويف كبير جداً كما في السفن مما يجعل كثافته أقل من كثافة الماء، وحتّى تتمكّن الغواصة من الغوص في الماء تمّ تصميم خزّانات ماء بداخلها، ولذلك تزداد كثافتها فتغوص في الماء، وتصعد إلى السطح عند إفراغ الخزانات من الماء.
قاعدة أرخميدس
استناداً إلى قوانين الطفو الأربعة السابقة استنتج العالم أرخميدس قاعدة مهمة جداً عُرفت بقاعدة أرخميدس للأجسام المغمورة، وتنص على أنّه عند غمر جسم في السائل بشكل جزئي أو كلي تتولّد قوة تدفعه إلى الأعلى، ويكون مقدار هذه القوة مساوياً لوزن السائل المزاح، ويُمكن تمثيلها كالتالي في حالة الأجسام المغمورة كلياً في السائل:
قوة الطفو=وزن الجسم في الهواء–وزن الجسم في السائل=حجم السائل المزاح×تسارع الجاذبية الأرضية×كثافة هذا السائل
أمّا في حالة الأجسام المغمورة جزيئاً في السائل تكون المعادلة كالتالي:
قوة الطفو=وزن الجسم في الهواء=وزن السائل المزاح