13.10: الكثافة ومبدأ أرخميدس

عندما تسقط كتلة من الطين في الماء ، فإنها تغرق. ولكن إذا تم تشكيل نفس كتلة الطين على شكل قارب ، فإنها تبدأ في الطفو. بسبب شكله ، يزيح القارب الطيني كمية أكبر من الماء أكثر من الكتلة ويختبر قوة طفو أكبر ، على الرغم من أن كتلته هي نفسها. وينطبق الشيء نفسه على السفن الفولاذية. يحدد متوسط كثافة الجسم بشكل رئيسي ما إذا كان الجسم سيطفو. إذا كان متوسط كثافة الجسم أقل من متوسط كثافة السائل المحيط ، فسوف يطفو. والسبب هو أن السائل ، ذو الكثافة الأعلى ، يحتوي على كتلة أكبر وبالتالي وزن أكبر في نفس الحجم. وبالتالي فإن قوة الطفو ، التي تساوي وزن السائل الذي تم إزاحته ، أكبر من وزن الجسم. وبالمثل ، فإن الجسم الأكثر كثافة من السائل سوف يغرق.

يعتمد مدى غمر الجسم العائم على كيفية مقارنة كثافة الجسم بكثافة السائل. على سبيل المثال ، السفينة المفرغة لها كثافة أقل ، وبالتالي يتم غمر جزء صغير منها مقارنة بنفس السفينة عند تحميلها. الكسر المغمور هو نسبة الحجم المغمور إلى حجم الكائن. بمعنى آخر ، الحجم المغمور يساوي حجم السائل الذي تم إزاحته. الكسر المغمور يساوي أيضا نسبة كثافة الجسم إلى كثافة السائل. يعطي هذا التعبير معلومات ثاقبة حول نوع السائل اللازم لجعل الجسم يطفو أو يغرق. على سبيل المثال ، تطفو العديد من الأجسام أو المواد منخفضة الكثافة في سوائل عالية الكثافة: الزيت على الماء ، ومنطاد الهواء الساخن في الغلاف الجوي ، وقليل من الفلين في النبيذ ، وجبل جليدي في المياه المالحة ، والشمع الساخن في "مصباح الحمم البركانية" ، على سبيل المثال لا الحصر. ومن الأمثلة الأقل وضوحا سلاسل الجبال التي تطفو على القشرة والوشاح عالي الكثافة تحتها. حتى الأرض التي تبدو صلبة لها خصائص سائلة.

هذا النص مقتبس من Openstax ، جامعة الفيزياء المجلد 1 ، القسم 14.4: مبدأ أرخميدس والطفو.

الجسم المغمور في سائل يزيح كمية متساوية من السوائل. يعتمد جزء الجسم المغمور في السائل على حجم قوة الطفو المؤثرة عليه.

من مبدأ أرخميدس ، ترتبط قوة الطفو المؤثرة على الجسم ارتباطا مباشرا بكثافة السوائل.

إذا حل السائل عالي الكثافة محل السائل السفلي ، فإن حجم السائل النازح يقيس وزنا أعلى ، وبالتالي زيادة قوة الطفو المؤثرة على الجسم.

بالنسبة للجسم العائم ، فإن الكسر المغمور هو نسبة الحجم المغمور داخل السائل إلى حجم الجسم.

الحجم المغمور يساوي حجم السائل النازح.

باستخدام العلاقة بين الحجم والكتلة ومعادلة كتلة الجسم بكتلة السائل النازح، يتم الحصول على الكسر المغمور كنسبة كثافة الجسم إلى كثافة السائل.

كلما زادت كثافة السائل ، يكون الكسر المغمور أقل ، مما يدفع الجسم إلى أعلى في السائل.