قوة الطفو
تُعرف قوة الطفو بأنّها القوة الصاعدة والتي تؤثر بها السوائل على الأجسام المغمورة فيها بطريقة تصاعديّة، وتحدث هذه القوة نتيجة الفرق في الضغط بين أجزاء الجسم المغمور، وبما أنّ الجزء السفلي من الجسم المغمور يكون عادة أعمق في السائل من جزئه العلوي؛ فإنَّ القوة الناتجة وهي القوة الصاعدة تكون أكبر من القوة الهابطة في السائل، إذًا فإنَّ قوة الطفو تُمثّل قدرة الجسم على العوم أو الارتفاع في السائل.
قانون قوة الطفو
يُمكن حساب قوة الطفو من خلال استخدام العلاقة التالية: قوة الطفو = كثافة السائل × تسارع الجاذبية × حجم السائل (ارتفاع السائل × مساحة سطح الجسم)، وبالرموز:
Fb = ρgV = ρghA، حيثُ تمثل:
- Fb: قوة الطفو بوحدة النيوتن N.
- ρ: كثافة السائل بوحدة كغ/ متر مكعب.
- g: تسارع الجاذبية وقيمته 9.80 متر/ ثانية مربعة.
- V: حجم السائل المُزاح بوحدة المتر المكعب.
- h: ارتفاع السائل المُزاح بوحدة المتر.
- A: مساحة سطح الجسم بوحدة المتر المربع.
أمثلة على حساب قوة الطفو
نقدم فيما يلي أمثلة على حساب قوة الطفو:
المثال الأول
جسم خشبي يبلغ طوله 2.5 م، وعرضه 0.5 م وارتفاعه 0.4 م، وتبلغ كثافة الماء 1000 كغ/ متر مكعب، إذا وضع هذا الجسم في الماء، ما هي قوة الطفو؟ مع العلم أنّ عامل تسارع الجاذبية يساوي 10 نيوتن/ كغ.
الحل:
- نجد حجم الجسم الخشبي باستخدام العلاقة التالية:
الحجم = الطول ×العرض × الارتفاع، أي أن
الحجم(V) = 2.5×0.5 ×0.4 =
0.5 متر مكعب.
- تعوض قيمة الكثافة وتسارع الجاذبية والحجم الذي وجدناه في قانون قوة الطفو على النحو الآتي:
Fb=ρ×g×V= 1000×10×0.5
قوّة الطفو = 5000 نيوتن.
المثال الثاني
وضع تاج ذهبي داخل أنبوب يحتوي على الماء، بلغ حجم الماء المُزاح بعد وضع التاج فيه 1.5 لتر، كثافة الماء 1000 كغ/متر مكعب، ما هي قوة الطفو المؤثرة على التاج؟ مع العلم أنّ عامل تسارع الجاذبية يساوي 9.8 نيوتن/ كغ.
الحل:
- توحيد الوحدات بتحويل وحدة حجم الماء من اللتر إلى المتر حيثُ يمثل 1 متر مكعب: 1000 لتر، فإنَّ 1.5 لتر تساوي 0.00150 متر مكعب.
- تعويض القيم في صيغة قانون قوة الطفو على النحو التالي: Fb=ρ×g×V =1000×9.8×0.00150
قوّة الطفو = 14.7 نيوتن.
تطبيقات على قانون قوة الطفو
فيما يلي أبرز التطبيقات القائمة على قانون قوة الطفو في مجالات العلوم والهندسة والتكنولوجيا وعلى النحو التالي:
- تصميم المناطيد وتوضيح كيفية عمل المنطاد .
- تصميم أجسام السفن البحرية بحيث تكون قادرة على الطفو من خلال توزيع وزنها على مساحة سطح كبيرة.
- تصميم قواعد منصات إنتاج النفط والإنتاج البحري الثابتة.
الخلاصة
يمكن ملاحظة قوة الطفو عند مشاهدة لوح خشب يطفو فوق الماء، وقوة الطفو هي الأساس في التنقل البحري والسباحة واستخراج النفط وغيرها من التطبيقات الأساسية في العصر الراهن.
