ما هو نص قانون الطفو في الفيزياء؟

يشار إلى قانون الطفو (بالإنجليزية: Buoyancy Law) في الفيزياء غالبًا باسم بمبدأ أرخميدس (بالإنجليزية: Archimedes' Principle)، والذي ينص على أن "الأجسام المغمورة كلياً أو جزئياً في مائع (سائل أو غاز) يواجه قوة طفو صاعدة تساوي في قيمتها قيمة وزن السائل المزاح من قبل ذلك الجسم عند غمره بالسائل"، مع الإشارة إلى أن هذا القانون تم اكتشافه من قبل عالم الرياضيات والفيزياء اليوناني أرخميدس (بالإنجليزية: Archimedes).[١][٢]


ما هي الصيغة الرياضية لقانون الطفو في الفيزياء؟

يمكن التعبير عن قانون الطفو في الفيزياء أو ما يعرف بمبدأ أرخميدس بالعلاقة الرياضية الآتية:[١]


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

بالرموز:

F_b = ρ × V × g


حيث إن:

  • F_b: هي قوة الطفو
  • ρ: تلفظ رو، وهي كثافة السائل
  • V: هو حجم السائل الذي أزاحه الجسم المغمور في السائل
  • g: هي تسارع الجاذبية الأرضية


يشرح قانون الطفو لماذا تبدو الأجسام أقل وزنًا عند غمرها في سائل ما، وهو نفسه السبب الأساسي الذي يجعل الأشياء تطفو في السوائل أو الغازات، حيث إنه إذا كان وزن الجسم أقل من قوة الطفو المؤثرة عليه، فسوف يطفو الجسم على سطح السائل؛ أما إذا كان وزن الجسم أكبر من قوة الطفو المؤثرة عليه، فسيغرق الجسم.[٣]


على سبيل المثال، يطفو قارب في الماء؛ لأن وزن الماء الذي يزيحه (بسبب حجمه المغمور) أكبر من وزن القارب نفسه، وبالمثل، يطفو بالون مليء بالهيليوم في الهواء؛ لأن قوة الطفو الناتجة عن الهواء المزاح أكبر من وزن البالون نفسه.[٣]




يمتلك قانون الطفو أو مبدأ أرخميدس العديد من التطبيقات العملية، بدءًا من تصميم السفن والغواصات إلى فهم سلوك بالونات الهواء الساخن، وحتى تحديد درجة نقاء المواد باستخدام تقنيات مثل طريقة الوزن الهيدروستاتيكي.




مثال حسابي على قانون الطفو في الفيزياء

المثال الحسابي الآتي يوضح كيفية استخدام العلاقة الرياضية لقانون الطفو في الفيزياء:[١]


السؤال:

إذا كان لديك جسم بكثافة 800 كجم/ م³ يغمر في الماء الذي تبلغ كثافته 1000 كجم/ م³ تقريبًا، احسب قوة الطفو المؤثرة على الجسم، وحدد ما إذا كان الجسم سيطفو أم سيغرق.



الحل:

المعطيات:

كثافة الجسم (ρ_الجسم) = 800 كجم/ م³

كثافة السائل (ρ_السائل) = 1000 كجم/ م³

تسارع الجاذبية الأرضية (g) = 9.81 م/ ث²


F_b = ρ × V × g

نظرًا لأن الجسم سيكون مغمورًا تمامًا بالماء، سيكون حجمه (V) هو نفس حجم السائل الذي يحل محله، ولذلك فإن:


V_الجسم = V_السائل.

قوة الطفو = ρ_السائل × V_الجسم × g


V_الجسم = m_الجسم / ρ_الجسم

V_السائل = m_الجسم / ρ_السائل


باستبدال القيم:

V_الجسم = m_الجسم / ρ_الجسم = m_الجسم / 800 كجم/ م³

V_السائل = m_الجسم / ρ_السائل = m_الجسم / 1000 كجم/ م³


قوة الطفو = ρ_السائل * (m_الجسم / 1000 كجم/م³) * g


الآن، نفترض أن كتلة الجسم (m_الجسم) هي 5 كجم:

قوة الطفو = 1000 كجم/ م³ * (5 كجم / 1000 كجم/م³) * 9.81 م/ ث² ≈ 49 نيوتن


نظرًا لأن وزن الجسم (5 كجم * 9.81 م/ ث² ≈ 49 نيوتن) يساوي قوة الطفو، إذًا سيطفو الجسم على سطح الماء.





المراجع

  1. ^ أ ب ت "Archimedes Principle", byjus, Retrieved 14/8/2023. Edited.
  2. ↑ "Archimedes’ principle", britannica, Retrieved 14/8/2023. Edited.
  3. ^ أ ب "Archimedes' Principle", physics.weber, Retrieved 14/8/2023. Edited.