ما هي قوة الطفو؟ الأصول ، المبادئ ، الصيغ

الطفو هو القوة التي تمكن القوارب وكرات الشاطئ من الطفو على الماء. المصطلح قوة الطفو يشير إلى القوة الموجهة نحو الأعلى التي يمارسها مائع (إما سائل أو غاز) على جسم مغمور جزئيًا أو كليًا في السائل. تشرح القوة الطافية أيضًا لماذا يمكننا رفع الأشياء تحت الماء بسهولة أكبر من الأرض.

الوجبات الجاهزة الرئيسية: قوة الطفو

وفقًا للمهندس الروماني فيتروفيوس ، عالم الرياضيات والفيلسوف اليوناني أرخميدس اكتشفت أول الطفو في القرن الثالث قبل الميلاد بينما يحير حول مشكلة طرحها عليه الملك هييرو الثاني ملك سيراكيوز. شك الملك هيرو في أن تاجه الذهبي المصنوع على شكل إكليل ، لم يكن مصنوعًا من الذهب الخالص ، بل كان مزيجًا من الذهب والفضة.

يزعم أنه أثناء الاستحمام ، لاحظ أرخميدس أنه كلما زاد غرقه في الحوض ، زاد تدفق المياه منه. لقد أدرك أن هذا هو الحل لمشكلته ، وهرع إلى المنزل وهو يبكي "يوريكا!" ("لقد وجدت ذلك!") ثم صنع اثنين الأشياء - واحدة من الذهب والفضة واحدة - التي كانت نفس وزن التاج ، وأسقطت كل واحدة في وعاء مملوءة حتى الحافة مع ماء.

لاحظ أرخميدس أن الكتلة الفضية تسببت في تدفق مياه خارج الوعاء أكثر من الذهب. بعد ذلك ، لاحظ أن تاجه "الذهبي" تسبب في تدفق كمية أكبر من الماء خارج الوعاء من جسم الذهب الخالص الذي صنعه ، على الرغم من أن التاجين كانا لهما نفس الوزن. وهكذا ، أثبت أرخميدس أن تاجه يحتوي بالفعل على الفضة.

على الرغم من أن هذه الحكاية توضح مبدأ الطفو ، إلا أنها قد تكون أسطورة. لم يكتب أرخميدس القصة أبدا. علاوة على ذلك ، في الممارسة العملية ، إذا تم بالفعل استبدال كمية صغيرة من الفضة للذهب ، فإن كمية المياه التي يتم نقلها ستكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بشكل موثوق.

قبل اكتشاف الطفو ، كان يعتقد أن شكل الجسم يحدد ما إذا كان سيعوم أم لا.

قوة الطفو تنشأ من الاختلافات في الضغط الهيدروليكي - الضغط الذي تمارسه سائل ثابت. سوف تواجه الكرة التي يتم وضعها أعلى في السائل ضغطًا أقل من نفس الكرة الموضوعة لأسفل. هذا بسبب وجود كمية أكبر من السوائل ، وبالتالي زيادة الوزن ، تؤثر على الكرة عندما تكون أعمق في السائل.

وبالتالي ، فإن الضغط في الجزء العلوي من الجسم أضعف من الضغط في القاع. يمكن تحويل الضغط إلى القوة باستخدام الصيغة Force = Pressure x Area. هناك شبكة فرض مشيرا إلى الأعلى. هذه القوة الصافية - التي تشير إلى الأعلى بغض النظر عن شكل الكائن - هي قوة الطفو.

يتم إعطاء الضغط الهيدروستاتي بواسطة P = rgh ، حيث r هو كثافة من السائل ، ز هو التسارع الناتج عن الجاذبيةو ح هو عمق داخل السائل. لا يعتمد الضغط الهيدروستاتيكي على شكل السائل.

ال مبدأ أرخميدس ينص على أن القوة الطافية التي تمارس على جسم مغمور جزئيًا أو كليًا في مائع تساوي وزن المائع الذي تم إزاحته بواسطة الكائن.

يتم التعبير عن ذلك بواسطة الصيغة F = rgV ، حيث r هي كثافة السائل ، g تسارع بسبب الجاذبية ، و V هي حجم السائل الذي يتم إزاحته بواسطة الكائن. V يساوي فقط حجم الكائن إذا تم غمره بالكامل.

القوة المزدهرة هي قوة صعودية تعارض قوة الجاذبية الهبوطية. يحدد حجم قوة الطفو ما إذا كان جسم ما سيغرق أو يطفو أو يرتفع عندما يتم غمره في سائل.

• سوف يغرق جسم ما إذا كانت قوة الجاذبية التي تعمل عليه أكبر من قوة الطفو.
• سوف يطفو الجسم إذا كانت قوة الجاذبية التي تعمل عليه مساوية لقوة الطفو.
• سيرتفع جسم ما إذا كانت قوة الجاذبية التي تعمل عليه أقل من قوة الطفو.

يمكن استخلاص العديد من الملاحظات الأخرى من الصيغة ، كذلك.

• الأجسام المغمورة ذات الأحجام المتساوية ستحل محل نفس الكمية من السوائل وستختبر بنفس قوتها قوة الطفو ، حتى لو كانت الأجسام مصنوعة من مواد مختلفة. ومع ذلك ، ستختلف هذه الكائنات في الوزن وسوف تطفو أو ترتفع أو تغرق.
• الهواء ، الذي تقل الكثافة عنه بحوالي 800 مرة عن الماء ، سيواجه قوة طفو أقل من الماء.

مكعب بحجم 2.0 سم³ غارقة في منتصف الطريق إلى الماء. ما هي القوة المزدهرة التي يعاني منها المكعب؟

• نحن نعلم أن F = rgV.
• r = كثافة الماء = 1000 كجم / م³
• g = تسارع الجاذبية = 9.8 م / ث²
• V = نصف حجم المكعب = 1.0 سم³ = 1.0*10^-6 م³
• وبالتالي ، F = 1000 كجم / م³ * (9.8 م / ث²) * 10^-6 م³ = .0098 (كجم * م) / ثانية² = .0098 نيوتن.

مكعب بحجم 2.0 سم³ مغمورة بالكامل في الماء. ما هي القوة المزدهرة التي يعاني منها المكعب؟

• نحن نعلم أن F = rgV.
• r = كثافة الماء = 1000 كجم / م 3
• g = تسارع الجاذبية = 9.8 م / ث²
• V = حجم المكعب = 2.0 سم³ = 2.0*10^-6 م 3
• وبالتالي ، F = 1000 كجم / م³ * (9.8 م / ث²) * 2.0 * 10-6 م³ =. 0196 (كجم * م) / ثانية² =. 0196 نيوتن.

• بيلو ، ديفيد. "حقيقة أم خيال ؟: صاغ أرخميدس المصطلح" يوريكا! "في الحمام." العلمية الأمريكية, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
• "الكثافة ، درجة الحرارة ، الملوحة." جامعة هاواي, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
• روريس ، كريس. "التاج الذهبي: مقدمة". جامعة ولاية نيويورك, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.