تعريف قوة الطفو
تُعرّف قوة الطفو (بالإنجليزية: Buoyant Force) بأنّها القوة الصاعدة التي يُمارسها السائل على الأجسام المغمورة كليًا أو جزئيًا في السائل، وتنشأ نتيجة فرق الضغط الناتج من السائل على الجزء العلوي من الجسم المغمور والجزء السفلي منه.
تحدث قوة الطفو عندما ينغمر الجسم في الماء ، فإنّ السائل يؤثر بقوة ضغط للأسفل على الجزء العلوي للجسم المغمور تُسمى القوة الهابطة (بالإنجليزية: Downward Force)، ويؤثر بقوة ضغط للأعلى على الجزء السفلي للجسم المغمور تُسمى القوة الصاعدة (بالإنجليزية: Upward Force)، وكلما تعمق الجسم في السائل، زاد ضغط السائل على الجسم، والفرق بين هاتين القوتين هو ما نُسميه بقوة الطفو، ولذلك يجب أن تكون القوة الصاعدة من السائل أكبر من القوة الهابطة.
قانون حساب قوة الطفو
تُقاوم قوة الطفو قوة الجاذبية الناتجة من وزن الجسم والتي تسحبه للأسفل، فتعمل قوة الطفو بالاتجاه المعاكس لقوة الجاذبية وتدفع الجسم للأعلى، كما يتناسب حجم قوة الطفو تناسبًا طرديًا مع حجم السائل المزاح الذي أزاحه الجسم المغمور، ويُمكن تمثيل هذه العلاقة بالصيغة الرياضية الآتية:
قوة الطفو = كثافة السائل × حجم السائل المُزاح × تسارع الجاذبية
ويُمكن تمثيله بالرموز كالآتي:
B = ρ × V × g
إذ إنّ:
- B: قوة الطفو المؤثرة على الجسم المغمور، وتُقاس بوحدة نيوتن (N).
- ρ: كثافة السائل الذي ينغمر فيه الجسم، ويُقاس بوحدة (كغ/م³).
- V: حجم السائل المزاح، ويُقاس بوحدة (م³).
- g: تسارع الجاذبية الأرضية، وقيمته ثابتة وتبلغ 9.81 م/ث².
تُطبق قوة الطفو على الأجسام المغمورة في السائل أو الغاز، بحيث تكون موجهة للأعلى وتُساعد الأجسام على الطفو، وتحدث نتيجة فرق الضغط الناشئ بين الجزء العلوي والسفلي للجسم المغمور، ويُمكن حساب قوة الطفو من قانون قوة الطفو، والتي تساوي: كثافة السائل × حجم السائل المُزاح × تسارع الجاذبية، بحيث تتناسب تناسبًا طرديًا مع حجم السائل المزاح.
أمثلة على حساب قوة الطفو
ندرج فيما يأتي بعض الأمثلة على حساب قوة الطفو من قانون الطفو :
المثال الأول: غُمرت كرة فولاذية نصف قطرها 7 سم في الماء وأزاحت كمية من الماء تبلغ حجمها 0.03 م³، إذا علمتَ أنّ كثافة الماء تساوي 1000 كغ/م³، أوجد مقدار قوة الطفو المؤثرة على الكرة الفولاذية المغمورة.
الحل:
- تُكتب المعطيات أولًا:
- كثافة السائل = 1000 كغ/م³.
- حجم السائل المُزاح = 0.03 م³
- تسارع الجاذبية = 9.8 م/ث²
- تُعوض المعطيات في قانون قوة الطفو:
- قوة الطفو = كثافة السائل × حجم السائل المُزاح × تسارع الجاذبية
- قوة الطفو = 1000 × 0.03 × 9.8
- قوة الطفو = 294 نيوتن.
المثال الثاني: أثرت قوة طفو مقدارها 100 نيوتن على جسم غُمر في الماء، إذا علمتَ أنّ كثافة الماء تساوي 1000 كغ/م³، فما مقدار كتلة السائل المُزاح؟
الحل:
- تُكتب المعطيات أولًا:
- كثافة السائل = 1000 كغ/م³.
- قوة الطفو = 100 نيوتن.
- تسارع الجاذبية = 9.8 م/ث²
- تُعوض المعطيات في قانون قوة الطفو لإيجاد حجم السائل المُزاح:
- قوة الطفو = كثافة السائل × حجم السائل المُزاح × تسارع الجاذبية
- 100 = 1000 × حجم السائل المُزاح × 9.8
- حجم السائل المُزاح = 0.01 م³
- تُحسب كتلة السائل المُزاح من القانون الآتي:
- الكثافة = الكتلة / الحجم
- الكتلة = الكثافة × الحجم
- كتلة السائل المُزاح = 1000 × 0.01
- كتلة السائل المُزاح = 10.2 كغ.
المثال الثالث: غواصة دائرية الشكل أزاحت كمية من الماء حجمها 200 م³ تغوص في أعماق البحر لمشاهدة الشعاب المرجانية، إذا علمتَ أنّ كثافة ماء البحر تساوي 1024 كغ/م³، احسب قوة الطفو المؤثرة على الغواصة.
الحل:
- تُكتب المعطيات أولًا:
- كثافة السائل = 1024 كغ/م³.
- حجم السائل المُزاح = 200 م³
- تسارع الجاذبية = 9.8 م/ث²
- تُعوض المعطيات في قانون قوة الطفو:
- قوة الطفو = كثافة السائل × حجم السائل المُزاح × تسارع الجاذبية
- قوة الطفو = 1024 × 200 × 9.8
- قوة الطفو = 2 × 10^6 نيوتن.
المثال الرابع: مكعب خشبي تبلغ كثافته 130 كغ/م³ مغمور جزئيًا في الماء، إذا علمتَ أنّ كثافة الماء تساوي 1000 كغ/م³ والمكعب في حالة سكون، احسب نسبة حجم المكعب الخشبي المغمور في الماء.
الحل:
- تُكتب المعطيات أولًا:
- كثافة الخشب = 130 كغ/م³
- كثافة الماء = 1000 كغ/م³
- بما أنّ المكعب في حالة سكون فإنّ القوة المحصلة عليه تساوي صفرًا، ولذلك فإنّ قوة الطفو تساوي قوة وزن المكعب.
- قوة الطفو = كثافة السائل × حجم السائل المُزاح × تسارع الجاذبية
- قوة الوزن = كثافة الجسم × حجم الجسم × تسارع الجاذبية.
- تساوى القوتين ببعضهما كالآتي:
- كثافة السائل × حجم السائل المُزاح × تسارع الجاذبية = كثافة الجسم × حجم المكعب الخشبي × تسارع الجاذبية.
- تُعوض المعطيات:
- 1000 × حجم السائل المُزاح × 9.8 = 130 × حجم المكعب الخشبي × 9.8
- حجم السائل المزاح / حجم المكعب الخشبي = 130 / 1000
- حجم السائل المزاح / حجم المكعب الخشبي = 13%
- وبالتالي فإنّ نسبة حجم الجزء المغمور في الماء تساوي 13%.
تطبيقات على استخدام قوة الطفو
يُستخدم مبدأ الطفو بشكل واسع في العديد من التطبيقات في الحياة اليومية، نظرًا لقدرته على إبقاء الأشياء طافية، وهذا أمر لا يُمكن الاستغناء عنه، وندرج فيما يأتي أبرز هذه التطبيقات:
الغواصات
تحتوي الغواصات على خزان صابورة كبير يتم من خلال تعبئته بالماء التحكم بعمق وموقع الغواصة من سطح البحر، بحيث عندما يمتلئ الخزان بالماء يُصبح وزن الغواصة أكبر من قوة الطفو وبالتالي تغرق إلى عمق البحر، بينما عندما يُفرّغ الخزان من الماء يُصبح وزن الغواصة أقل من قوة الطفو، وبالتالي تدفع قوة الطفو الغواصة إلى الأعلى وتطفو على سطح البحر.
المنطاد
يُعد المنطاد من أفضل التطبيقات على قوة الطفو، إذ يُطبق مبدأ عمل المنطاد الرئيسي قوة الطفو، إذ إنّ كثافة الهواء الساخن داخل المنطاد أقل من كثافة الهواء البارد الخارج المنطاد، وبالتالي فإنّ المنطاد سيطفو في الهواء، ولذلك يجب تسخين الهواء داخله باستمرار؛ لأنّه إذا بُرد الهواء داخله، فإنّ كثافته ستزداد وتُصبح أكبر من كثافة الهواء الخارجية، ويفقد قوة الطفو ويهبط للأسفل.
ويعود السبب وراء هبوط المنطاد للأسفل إلى أنّه عندما تزداد كثافته يزداد وزنه وتُصبح قوة وزنه أعلى من قوة الطفو، كما أنّ المنطاد يبقى ثابتًا في الهواء عندما يُصبح وزنه مساويًا لقوة الطفو.
الأسماك
تمتلك الأسماك المثانة أو ما تُسمى بالأكياس الهوائية التي تُساعدها على الصعود والهبوط في الماء، فعندما تملأ الأسماك المثانة بالغازات تنتشر هذه الغازات في جسمها، وتُقلل من وزنها فيُصبح وزنها أقل من قوة الطفو، فتصعد للأعلى وتطفو على السطح، بينما عندما تُفرّغ الأسماك المثانة من الغازات، فإنّها يزداد وزنها ويُصبح أعلى من قوة الطفو، فتهبط للأسفل وتغوص في الماء.
السفن
تُصمم السفن لتكون جوفاء من الداخل لتُصبح كثافتها أقل من كثافة مياه البحر، كما أنّ شكلها الأجوف يُزيح كمية من الماء حجمها يساوي وزنها، وبالتالي فإنّ قوة الطفو المؤثرة عليها ستكون كبيرة وأعلى من وزنها، فتدفع قوة الطفو السفينة للأعلى وتُحافظ على طفوها على سطح الماء.
وفي بعض الحالات، يدخل الماء إلى داخل السفينة، ويطرد الهواء إلى خارجها، ممّا يؤدي إلى زيادة كثافة السفينة، بحيث تُصبح أكبر من كثافة الماء ويؤدي ذلك إلى غرقها.
تُستخدم قوة الطفو في العديد من المجالات والتطبيقات الواسعة في الحياة، إذ تُصمم المناطيد لتكون قادرة على الطفو من خلال التحكم بكثافة الهواء الساخن داخلها، كما تُصمم السفن والغواصات بشكل يُقلل من كثافتها ويُمكنها من الطفو في الماء، إلى جانب تطبيق بعض الكائنات الحية مبدأ الطفو مثل الأسماك.
