تجربة حول قاعدة أرخميدس

يمكن ربط مفهوم قاعدة أرخميدس بتجربة مختبرية بسيطة لتسهيل فهمها، وتتمثل التجربة بما يأتي:[١]

  1. تعبئة كوب من الماء إلى حافته.
  2. وضع وعاء فارغ أسفل الكوب.
  3. اختيار جسم صلب وقياس وزنه باستخدام الميزان الزنبركي.
  4. غمر الجسم الصلب الذي تم اختياره بالماء مع التأكد من عدم غمر الملف الزنبركي معه في الماء.
  5. تدوين الوزن الظاهر، وجمع الماء المتسرب من الكوب إلى الوعاء الفارغ بعد غمر الجسم ومن ثم توزينه، ومن الجدير بالذكر بأن وزن الماء سيساوي الوزن الذي فُقد من الجسم الصلب عند غمره.


نص قاعدة أرخميدس

تنص قاعدة أو مبدأ أرخميدس (بالإنجليزية: Archimedes' principle) والمتعارف عليها بالقانون الفيزيائي للطفو، على أن الجسم المغمور كليًا أو جزئيًا في مائع (سائل أو غاز) يواجه قوة طفو صاعدة تساوي قوة الجاذبية المؤثرة على السائل المزاح، وبصيغة أخرى فإن حجم السائل المزاح يعادل حجم جسم مغمور بالكامل في سائل أو ذلك الجزء من الحجم الموجود أسفل السطح لجسم مغمور جزئيًا في السائل، بحيث يكون مقدار قوة الطفو معادلًا لوزن الجزء المزاح من السائل، وإذا كان وزن الجسم أقل من وزن السائل المزاح فإنه يطفو، أما إذا كان وزن الجسم أكبر من وزن السائل المزاح فإنه يغرق، ويعود الفضل في اكتشاف هذه القاعدة إلى العالم اليوناني أرخميدس.[١][٢]


تطبيقات على قاعدة أرخميدس

تمتلك قاعدة أرخميدس العديد من التطبيقات، ومنها:[٣][١]

  • حوض الاستحمام: عند الدخول إلى حوض الاستحمام فإن كمية الماء المزاح تساوي وزن الجسم الذي دخل إلى الحوض.
  • حساب العمق الآمن للسفن: تطفو السفن في البحر بسبب قوة الطفو المؤثرة من الماء عليها، وبالتالي يمكن حساب العمق الآمن على أساسها.
  • الغواصة: تحتوي الغواصة على ما يسمى بصهريج سائل الرص؛ والذي يستخدم كصابورة، إذ يسمح بدخول الماء إلى الغواصة لتحافظ على مكانها داخل الماء، ويعود السبب في ذلك إلى أن وزن الغواصة أكبر من قوة الطفو.
  • المنطاد: السبب في ارتفاع بالونات الهواء الساخن أو المناطيد وطفوها في الهواء؛ هو أن وزن الهواء الساخن وقوة طفوه أقل من الهواء المحيط بها، وعندما تزداد قوة طفو منطاد الهواء الساخن فإنه يبدأ في الهبوط، ويتم ذلك عن طريق تغيير كمية الهواء الساخن الموجود في البالون.
  • مقياس كثافة السوائل (الهيدروميتر): مقياس كثافة السوائل هو أداة تستخدم لقياس الكثافة النسبية للسوائل، ويتكون مقياس كثافة السوائل من انتفاخ مليء بكرات صغيرة من الرصاص تطفو عموديًا على السائل.


الصيغة الرياضية لقاعدة أرخميدس

وفق مبدأ أرخميدس يمكن حساب قوة الطفو المؤثرة على الجسم باستخدام العلاقة الآتية:[٤]


قوة الطفو = كثافة السائل × تسارع الجاذبية الأرضية × حجم السائل المزاح

Fbuoyant = ρ.g.Vf


وفيما يأتي مثال على كيفية حساب قوة الطفو باستخدام العلاقة السابقة:


السؤال:

احسب قوة الطفو المؤثرة على كتلة من الخشب طولها = 2.5 متر، وعرضها = 0.5 متر، وارتفاعها = 0.4 متر، تم وضعها في الماء، علماً أن كثافة الماء 1000 كغم/م3، وتسارع الجاذبية الأرضية هو 10 م/ث.[٥]

الحل:
  • حجم الكتلة (Vf) = الطول × العرض × الارتفاع
  • حجم الكتلة (Vf) = = 2.5 × 0.5 × 0.4
  • حجم الكتلة (Vf) = = 0.5 م3
  • كثافة الماء 1000 كغم/م3، وتسارع الجاذبية الأرضية هو قيمة ثابتة مقدارها 10 م/ث .
  • قوة الطفو (Fbuoyant) = كثافة الماء (ρ) × تسارع الجاذبية الأرضية (g) × حجم السائل المزاح (Vf)، لينتج أنّ:
  • قوة الطفو (Fbuoyant) = 10 × 0.5 × 1000
  • قوة الطفو (Fbuoyant) = 5,000 نيوتن.




المراجع

  1. ^ أ ب ت "Archimedes Principle - Definition, Formula, Derivation, Applications, Solved Examples", byjus, 30/7/2021, Retrieved 6/8/2021. Edited.
  2. ↑ "Archimedes' principle", Britannica. Edited.
  3. ↑ "Where do you observe Archimedes' principle in our daily life? Give two examples.", vedantu, 6/8/2020, Retrieved 6/8/2021.
  4. ↑ "Buoyant Force", Toppr, Retrieved 6/8/2021.
  5. ↑ "Buoyant force – problems and solutions: Solved Problems in Basic Physics", Basic Physics, 22/7/2021, Retrieved 6/8/2021.