كثافة الجسم والسائل
تتأثر قوة طفو الأجسام بعاملين مهمين هما كثافة الجسم وكثافة السائل الذي سيوضع فيه الجسم، فالجسم الذي تكون كثافته أكبر من كثافة السائل الذي يغمره يميل إلى الغرق، أما إذا كانت كثافة الجسم أقل من كثافة السائل، أو تم تشكيله بشكل مناسب (كما هو الحال في القارب)، فإنّ الجسم يطفو على سطح السائل.
عندما يُغمر الجسم في سائل ما، فإنه يتعرض لقوتين متجهتين، قوة الجاذبية الأرضية التي تؤثر على وزن الجسم في اتجاه الأسفل، وقوة الدفع التي تؤثر على الجسم في اتجاه الأعلى، وتسمى أيضًا بقوة الطفو العمودية، وتتعارض هذه القوة مع وزن الجسم في الاتجاه، فإذا كانت قوة الدفع أكبر من قوة الجاذبية فإنها تدفع الجسم للأعلى وبذلك يطفو الجسم على سطح السائل، أما إذا كانت قوة الجاذبية أكبر من قوة الدفع فإنها تسحب الجسم نحو الأسفل، وبالتالي ينغمر الجسم في السائل.
حجم السائل المُزاح
ينص مبدأ أرخميدس على أن قوة الطفو على جسم ما تساوي وزن السائل الذي أزاحه هذا الجسم ، فعند غمر جسم ما داخل السائل يعمل هذا الجسم على إزاحة كمية معينة من السائل ليحل محلها، وحجم السائل المزاح يعادل حجم الجسم المغمور بالكامل في هذا السائل أو حجم الجزء الموجود أسفل سطح السائل إذا كان الجسم مغمور جزئيًا في السائل.
وتزداد قوة الطفو مع زيادة حجم الجسم المغمور في السائل، وهذا هو السبب في أنّ الأشياء الحادة تغرق في السوائل، بينما تلك الواسعة يمكن أن تطفو لفترة طويلة.
تُعرف الكثافة بأنها الكتلة لكل وحدة حجم، وهذا يعني أنّ كثافة الجسم تتناسب عكسيًا مع حجمه، وبالتالي تتناسب عكسيًا أيضًا مع حجم الماء المزاح، أي كلما زادت كثافة الجسم المغمور في سائل ما، قل حجمه، وبالتالي قل حجم السائل المزاح، وكلما قلت كثافة الجسم المغمور في سائل ما، زاد حجمه، وبالتالي زادت كمية السائل المزاح.
تتناسب قوة الطفو طرديًا مع حجم السائل المزاح، وبما أنّ حجم السائل المزاح يساوي حجم الجسم المغمور في السائل، فكلما زاد حجم الجسم المغمور بالسائل يزداد حجم السائل المزاح وبالتالي قوة الطفو تزداد، وكلما كان الجسم المغمور صغير الحجم فإنّ حجم السائل المزاح يقل وبالتالي تقل قوة الطفو.
العلاقة بين كثافة الجسم وحجمه عكسية؛ أي كلّما زاد حجم الجسم قلّت كثافته، والعكس صحيح، بينما تتناسب قوّة الطفو طرديًا مع حجم السائل المزاح.
تسارع الجاذبية
يحدث تأثير قوة الطفو على الأجسام في جميع السوائل والغازات في وجود الجاذبية، فتمارس السوائل مثلًا قوة تصاعدية تُعرف باسم قوة الطفو على أي جسم مغمور فيها، والقوة الصاعدة، أو قوة الطفو، تساوي وزن الماء المزاح بواسطة الجسم، فإذا قام الجسم بإزاحة كمية من الماء تساوي وزنه، فإن قوة الطفو المؤثرة عليه ستكون مساوية لقوة الجاذبية.
وبالتالي سوف يطفو الجسم، أما إذا كان وزن الجسم أكبر من وزن الماء المزاح، فإنّ قوة الطفو المؤثرة عليه ستكون أقل من قوة الجاذبية، وبالتالي سيغرق الجسم. وتعرّف الجاذبية بأنها القوة التي تؤثر على كل مادة لها وزن فتسحبها للأسفل، وكلما زاد وزن المادة زادت الجاذبية، وإذا تسارعت الجاذبية، فإن الطفو سيأخذ نفس الاتجاه أي أنه سيتسارع أيضًا، وهذا يتناسب مع الزيادة في وزن الجسم المغمور في السائل.
هل هناك قوة طفو في الاتجاه الأفقي؟
لا، ليس هنالك قوة طفو في الاتجاه الأفقي، ينتج الطفو عن الاختلافات في الضغط الذي يعمل على جوانب متقابلة من جسم مغمور في سائل ثابت، ويصعب حساب قوة الضغط على الجانب الأيسر أو الأيمن للجسم.
ولحسن الحظ، لا يتعين حساب هذه القوة، لأنّ هذه القوة في الجانب الأيسر تساوي وتعاكس القوة في الجانب الأيمن، وبالتالي، تلغي هذه القوى بعضها، كذلك حال القوى المؤثرة على الجسم من الأمام والخلف فإنها كذلك ستلغي بعضها البعض لتساويها في القوة وتعاكسها في الاتجاه.
أمثلة كلامية على عوامل قوة الطفو
فيما يأتي بعض الأمثلة التي توضّح متى تطفو الأجسام:
العلاقة بين الكثافة وقوة الطفو
ماذا يحدث لكل من قطعة فلين كثافتها 0.34 جم/ مل، وقطعة حديد كثافتها 5.26 جم/ مل، إذا وضعتا في كأس من الماء ( كثافة الماء = 0.997 جم/ مل)
- تطفو قطعة الفلين لأنّ كثافتها أقل من كثافة الماء، فالأجسام الأقل كثافة هي التي تطفو على سطح السائل.
- تغرق قطعة الحديد لأنّ كثافتها أعلى من كثافة الماء، فالأجسام التي كثافتها أعلى من كثافة السائل تغرق.
المقارنة بين كثافة مادتين سائلتين وعلاقتها بقوة الطفو
إذا وضعت كمية من الزيت النباتي كثافتها 0.8 جم/ مل في وعاء، وكمية من الماء كثافتها 0.997 جم/ مل، فأي السائليين يطفو فوق الآخر؟
- يطفو الزيت النباتي فوق الماء لأنّ كثافته أقل من كثافة الماء.
- ملاحظة: تنطبق علاقة الكثافة بقوة الطفو على السوائل أيضًا، فالسائل الأقل كثافة يطفو فوق السائل الذي له كثافة أعلى.
العلاقة بين الحجم وقوة الطفو
قطعتين خشبيتين حجم أحداهما 7 سم3 وحجم الأخرى 16 سم3، أيهما تطفو وأيهما تنغمر جزئيًا في الماء؟
تنغمر القطعة التي حجمها 7 سم3 جزئيًا في الماء، وتطفو التي حجمها 16 سم3، لأنّ العلاقة بين الحجم والكثافة علاقة عكسية، وبالتالي القطعة التي حجمها أكبر تكون كثافتها أقل فتطفو على سطح السائل.
الخلاصة
تتأثر قوة طفو الأجسام في السوائل بعدة عوامل، أهمها كثافة الجسم، وحجم الكمية المزاحة من السائل التي تتأثر بدورها بحجم الجسم المغمور في السائل، وكذلك قوة الجاذبية الأرضية، وترتبط هذه العوامل ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض، إذ يؤثر كل منهما على الآخر وعلى قوة الطفو بعلاقات فيزيائية مدروسة.
هناك العديد من التطبيقات في الحياة اليومية على قوة الطفو، كطفو السفن في البحار على الرغم من حجمها الكبير، وغرق قطعة النقود في المقابل، كذلك طفو مناطيد الهيليوم في الهواء، لأنّ كثافة الهيليوم أقل من كثافة الهواء.
