الطفو: ما هو ، الصيغة ، مبدأ أرخميدس

ا الطفو هي القوة المؤثرة على الأشياء المغمورة جزئيًا أو كليًا سوائل، مثل الهواء والماء. الاتجاه هوناقلات عظمةهناك، قياس في نيوتن، والذي يشير دائمًا إلى نفساتجاه وفي اشارةعكس لوزن الجسم المغمور. وفقًا لمبدأ أرخميدس ، فإن قوة الطفو على الجسم لها نفس المقدار وزن من السائل الذي تم إزاحته بسبب غمر الجسم.

نظرةأيضا: نظرية باسكال وعمل المكابس الهيدروليكية

تعريف الاتجاه

الاتجاه هو الخضوع ل الذي ينشأ عندما يحتل جسم ما مساحة داخل السائل. تعتمد هذه القوة حصريًا على حجم السائل الذي تم إزاحته، إلى جانب كثافة السوائل والجاذبية المحلية. بناءً على هذه المعلومات ، لنلقِ نظرة على الصيغة المستخدمة لحساب معامل قوة الطفو:

و - التوجه (N)
د - كثافة السوائل (كجم / م 3)
الخامس - حجم مغمور بالجسم أو حجم سائل مزاح (m³)

قبل أن نذهب إلى أبعد من ذلك ببعض الأمثلة على الدفع ، سنشرح كل من عظمةمتضمن في حساب الاتجاه. إذا كنت تريد التعمق في الموضوع ، فنحن نقترح عليك مراجعة النص الخاص بنا الهيدروستاتيك. في هذه المقالة ، ستجد ملخصًا لكل ما هو أكثر أهمية في هذا المجال من الدراسة في الفيزياء.

نظرةأيضا: كل ما تريد أن تعرفه عن الأمواج

• التوجه (E)

الاتجاه هو المتجهلذلك ، لإجراء حسابات بهذا الحجم ، من الضروري أن نطبق قواعد إضافة ناقلات. علاوة على ذلك ، لأنه ملف الخضوع ل، يتطلب حل التمارين الأكثر تعقيدًا ، في النهاية ، تطبيق قانون نيوتن الثاني، والتي تدعي أن القوة الكلية المؤثرة على الجسم تساوي حاصل ضرب كتلته وتسارعه.

يوضح الشكل التالي حالة يكون فيها الجسم مغمورًا تمامًا في سائل ، مثل الوزن والطفو. في نفس الاتجاه (عموديًا) ، ولكن في اتجاهين متعاكسين ، يمكن حساب القوة الناتجة باختلاف اثنين:

في الشكل ، الفرق بين الوزن والدفع يعطي القوة الكلية.

من المخطط المقدم ، من الممكن أن نرى كيف أن توازن عائمأي أنه من الممكن معرفة ما إذا كان الجسد سيغرق أم سيبقى واقفاً على قدميه:

• إذا كان وزن الجسم أكبر من قوة الدفع التي يمارسها السائل ، فسيغرق الجسم ؛
• إذا كان وزن الجسم مساويًا للضغط الذي يمارسه السائل ، فسيظل الجسم في حالة توازن ؛
• إذا كان وزن الجسم أقل من قوة الدفع ، فسوف يطفو الجسم على سطح السائل.

نظرةأيضا: كيف ساهمت فيزياء الكم في الإنسانية؟

• كثافة السوائل (د)

ال كثافة، أو كتلة معينة من السائل ، تشير إلى كمية المادة لكل وحدة حجم السائل. الكثافة أ عظمةتسلق، تقاس بوحدة الكيلوجرامات لكل متر مكعب (kg / m³) ، وفقًا لـ نظام القياس الدولي (SI).

تحقق من الصيغة المستخدمة لحساب كثافة الجسم أدناه:

في الأصل ، تم قياس كثافة جميع الأجسام كدالة لكثافة الماء النقي ، لذلك يتم تحديد كثافة الماء في ظل الظروف العادية للضغط ودرجة الحرارة (1 ضغط جوي و 25 درجة مئوية) في 1000 كجم / م 3.

على الرغم من أننا نستخدم وحدات SI لإجراء الحسابات ، إلا أنها شائعة بالنسبة لكثافة السوائل يتم التعبير عنها بوحدات أخرى ، لذلك ، في الشكل أدناه ، نقدم مخططًا يتعلق في وحدات قياس الكثافة الرئيسية والعلاقات بينها وبين الوحدة القياسية:

وفقًا للمخطط ، فإن 1000 كجم / م 3 يساوي 1 كجم / لتر و 1 جم / سم مكعب.

في الشكل الذي تمت ملاحظته ، نقدم الوحدات الأكثر شيوعًا لكثافة السوائل ، ومع ذلك ، قد تصادف وحدات أخرى ، وفي هذه الحالة ، تحتاج إلى معرفة كيفية استخدام بادئات نظام الوحدة الدوليةوكذلك أداء حجم التحويلات.

نظرةأيضا:هل الماء البارد يساعدك على إنقاص الوزن؟

• شدة (ز)

الجاذبية هي التسريع أن كتلة الأرض تمارس على جميع الأجسام من حولك. عند مستوى سطح البحر ، فإن الجاذبية تبلغ شدة دا تيرا 9.81 م / ث² ، ومع ذلك ، تستخدم معظم التمارين هذا المقياس تقريبًا إلى 10 م / ث² ، تذكر استخدام الجاذبية كما هو مطلوب في بيان ممارسه الرياضه.

• حجم السوائل أو حجم الجسم المزاح (V)

يرتبط حجم الحجم الموجود في صيغة الدفع بكمية حجم الجسم مضمن في السائل ، أو ل حجم السوائل النازحة. يجب قياس حجم الجسم المعني بالأمتار المكعبة (m³).

مبدأ أرخميدس

وفقًا للتكهنات ، فإن مبدأ أرخميدس تم تطويره عندما ، في يوم من الأيام ، أدرك عالم الرياضيات اليوناني أنه عندما دخل حوض الاستحمام الخاص به ممتلئًا الماء ، كمية كبيرة من السائل تسقط من حوض الاستحمام - نفس الحجم الذي كان يشغله الجسم. بعد هذه الملاحظة ، خلص أرخميدس إلى أن الكتلة وبالتالي وزن الماء المتساقط من حوض الاستحمام لا يساوي وزنه وكتلته وأن هذا الاختلاف يفسر لماذا تطفو الجثث.

ثم يُذكر أن:

"عندما يدخل أي جسم في سائل ، تنشأ قوة طفو عمودية وأعلى على الجسم. هذه القوة تساوي وزن السائل المزاح "

حالات التقلبات

من الممكن مقارنة كثافة السائل بالجسم المغمور من أجل التنبؤ بما إذا كان هذا الجسم أم لا سوف تغرق, سوف تطفو أو البقاء فيه الرصيد. دعنا نتحقق من هذه المواقف:

→ جسم الغرق: إذا غرق الجسم المغمور في السائل ، فيمكن استنتاج أنه الكثافة أكبر من كثافة السوائلوبالمثل نقول إن وزنه أكبر من قوة الدفع التي يمارسها السائل.

→ توازن الجسم: إذا ظل الجسم موضوعًا على سائل في حالة توازن ، أي توقف ، يمكننا أن نقول ذلك كثافة الجسم والسوائل متساويةووزنه ودفعه.

→ جسم عائم: عندما يطفو الجسم ، إذا تم إطلاقه في سائل ، فإن قوة الدفع التي تمارس عليه تكون أكبر من وزنه ، لذلك يمكننا القول أن كثافة هذا الجسم أقل من كثافة السائل حيث وجد نفسه.

نرى أيضا: هل يمكن أن يضر استخدام الهاتف الخلوي طوال الوقت بصحتك؟ اكتشفها!

الوزن الظاهر

ربما لاحظت أن بعض الأجسام تبدو أفتح مما هي عليه في الواقع إذا وضعت في الماء. هذا لأنه عند الغمر ، بالإضافة إلى الوزن ، يكون لدينا الطفو التمثيل. يُعرف الفرق بين هاتين القوتين بالوزن الظاهري.

لاحظ أنه إذا كان للوزن والدفع نفس الحجم ، فسيكون الوزن الظاهر للجسم فارغًا ، أي ، في هذه الحالة ، يبدو الأمر كما لو أن الجسم ليس له وزن على الإطلاق ، وبالتالي ، سيكون توقفت حول السائل.

أمثلة على الطفو

تحقق من بعض الأمثلة على المواقف التي يوجد فيها أداء تعبيري لقوة الطفو:

• يميل الجليد إلى الطفو نظرًا لأنه أقل كثافة من الماء السائل ؛
• يميل بخار الماء والهواء الساخن إلى الارتفاع ، لأنهما عندما يكونان أكثر سخونة ، يشغلان مساحة أكبر ، مما يجعل كثافتهما أقل من كثافة الهواء البارد ؛
• تتكون فقاعات الشمبانيا من نشبع، وهو غاز أقل كثافة من الماء عدة مرات ، لذلك عند فتح زجاجة من الشمبانيا ، يتم طرد هذه الفقاعات بعنف من السائل ؛
• تقوم بالونات الحفلة العائمة بذلك بسبب طفو الهواء الجوي ، حيث تمتلئ بغازات أقل كثافة من غازات الغلاف الجوي ، مثل غاز الهيليوم.

تمارين حلها

السؤال رقم 1-(العدو 2011)  في تجربة أجريت لتحديد كثافة المياه في بحيرة ، تم استخدام بعض المواد وفقًا لها يتضح: مقياس ديناميكي D مع تخرج من 0 N إلى 50 N ومكعب ضخم ومتجانس بحافة 10 سم وكتلة 3 كجم. في البداية ، تم فحص معايرة مقياس الدينامومتر ، والتحقق من قراءة 30 نيوتن عندما تم توصيل المكعب بجهاز قياس الدينامومتر وتعليقه في الهواء. من خلال غمر المكعب في مياه البحيرة ، حتى غمر نصف حجمه ، تم تسجيل قراءة 24 نيوتن على مقياس الدينامومتر.

بالنظر إلى أن تسارع الجاذبية المحلية هو 10 م / ث² ، فإن كثافة مياه البحيرة ، بالكيلو جرام / م 3 ، هي:

أ) 0.6
ب) 1.2
ج) 1.5
د) 2.4
هـ) 4.8

القرار

البديل ب.

أولاً ، من الضروري إدراك أن الفرق في "الوزن" المسجل على مقياس الدينامومتر يشير إلى قوة الطفو التي تمارسها مياه البحيرة ، والتي ، في هذه الحالة ، كانت تساوي 6 نيوتن. بعد ذلك ، يمكننا تطبيق معادلة الطفو ، باستخدام البيانات التي يوفرها التمرين ، ومراقبة الحساب:

لإجراء الحساب أعلاه ، كان علينا تحويل حجم المكعب ، بالسنتيمتر المكعب ، إلى أمتار مكعبة.

السؤال 2 -(العدو 2010) أثناء أعمال البناء في نادٍ ، كان على مجموعة من العمال إزالة تمثال حديدي ضخم وُضِع في قاع حوض سباحة فارغ. قام خمسة عمال بربط الحبال بالنحت وحاولوا سحبها لكن دون جدوى. إذا امتلأ المسبح بالماء ، فسيكون من السهل على العمال إزالة التمثال ، حيث أن:

أ) النحت سوف يطفو. بهذه الطريقة ، لن يحتاج الرجال إلى بذل جهد لإزالة التمثال من الأسفل.
ب) سيكون النحت أخف وزناً ، وبهذه الطريقة تكون شدة القوة المطلوبة لرفع التمثال أقل.
ج) سيؤثر الماء على التمثال بقوة تتناسب مع كتلته فأعلى. ستضاف هذه القوة إلى القوة التي يستخدمها العمال لإلغاء تأثير قوة وزن التمثال.
د) سيؤثر الماء بقوة على التمثال ، وسيتلقى قوة صاعدة من أرضية البركة. ستساعد هذه القوة في مواجهة تأثير قوة الوزن على التمثال.
هـ) سيؤثر الماء على التمثال بقوة تتناسب مع حجمه وما فوق. ستضيف هذه القوة إلى القوة التي يبذلها العمال ، وقد ينتج عنها قوة صاعدة أكبر من وزن التمثال.

القرار

البديل ه. عندما يمتلئ البركة بالماء ، ستعمل قوة الطفو عليه ، في الاتجاه الرأسي والصاعد ، لذلك ستكون "أخف" ويمكن إزالتها بسهولة من قاع البركة.

بقلم رافائيل هيلربروك
مدرس الفيزياء