الكثافة والطفو
الكثافة: تعبر عن مقدار الكتلة (m) لكل وحدة حجم (V) من المادة.
- تحسب الكثافة باستخدام العلاقة الآتية:
- تقاس الكثافة في النظام الدولي للوحدات بوحدة (kg/m3) ويمكن التعبير عنها بوحدات أخرى مثل (g/cm3).
- تختلف الكثافة من مادة إلى أخرى، وتكون ثابتة للمادة الواحدة، فهي خاصية مميزة للمادة.
- مثال: كثافة الحديد أكبر من كثافة الخشب، لأن الجسيمات المكونة للحديد مختلفة عن الجسيمات المكونة للخشب، فيكون مقدار المادة في حجم معين من الحديد أكبر من مقدار المادة في الحجم نفسه من الخشب.
- تحدد الكثافة ما إذا كان الجسم سيطفو إذا وضع في سائل معين أو سينغمر.
- كيف نحدد أن الجسم سيطفو أو سينغمرإذا وضع في سائل معين؟
الجواب: الأجسام التي تكون كثافتها أكبر من كثافة السائل تنغمر فيه، والأجسام التي تكون كثافتها أقل من كثافة السائل تطفو على سطحه.
- السوائل المختلفة في الكثافة تترتب فوق بعضها بعضاً وفقاً لكثافاتها.
- مثال: الزيت يطفو فوق سطح الماء، لأن كثافته أقل من كثافة الماء.
- تقاس كثافة السوائل باستخدام أداة تسمى الهيدروميتر.
- عند وضع أجسام من مواد مختلفة في السائل نفسه وتركها حرة، فإن العلاقة بين قوة الطفو ووزن الجسم تحدد الموضع الذي يستقر عنده الجسم داخل السائل.
- أتحقق صفحة 103: عندما أضع مكعباً من الجليد في كأس فيها ماء يطفو على سطح الماء، فما الذي أستنتجه عن كثافة الجليد؟
الجواب: كثافة الجليد أقل من كثافة الماء.
- قاعدة أرخميدس:
- تنص على أن: " الأجسام المغمورة كلياً أو جزئياً في مائع تتأثر بقوة طفو (FB) تساوي وزن السائل المزاح (Fgf).
- لاحظ أرخميدس أن الجسم المغمور في سائل يزيح كمية من السائل تكافئ الحيز الذي يشغله، فالسائل المزاح حجمه يساوي حجم الجزء المغمور من الجسم في السائل، أما وزن السائل المزاح فيكون مساوياً لقوة الطفو.
- العلاقة بين قوة الطفو والوزن للأجسام المغمورة:
- يمكن تصنيف سلوك الأجسام عند وضعها في سائل إلى الحالات الآتية:
- جسم كثافته أكبر من كثافة السائل: يهبط إلى الأسفل ليستقر في القاع، تكون قوة الطفو أقل من الوزن.
- جسم كثافته مساوية لكثافة السائل: يبقى معلقاً في السائل، تكون قوة الطفو مساوية للوزن.
- جسم كثافته أقل من كثافة السائل: يستقر في أعلى السائل (يطفو) ، على أن يكون جزء من الجسم مغموراً في السائل، تكون قوة الطفو مساوية للوزن.
- تطبيقات على عملية الطفو:
- السفينة التي تطفو على سطح الماء:
تتأثر بقوتين هما: الوزن للأسفل وقوة الطفو لأعلى، ويكونا متساويتين في المقدار لأن السفينة متزنة، وهذا يعني أن وزن الماء الذي تزيحه السفينة يساوي وزنها.
- بالونات الطقس: تنشأ قوة الطفو أيضاً في الغازات، يملأ بالون الطقس بغاز الهيليوم وهو غاز كثافته أقل من كثافة الهواء، فيتأثر بقوة طفو إلى الأعلى أكبر من وزنه، فيرتفع البالون إلى طبقات الجو العليا، ويحمل بالأجهزة التي تعمل على جمع المعلومات عن حالة الطقس، ودرجة التلوث وغيرهما.
- الخلايا الشمسية الطافية: تكنولوجيا حديثة تعتمد على بناء أنظمة خلايا شمسية تطفو على سطح المسطحات المائية، مثل البحيرات الطبيعية أو الصناعية.
مثال: جسمان (أ،ب) متساويان في الحجم ومن مادتين مختلفتين، يطفوان على سطح الماء كما في الشكل.
أ) أقارن بين حجم السائل المزاح لكل من الجسمين.
ب) أحسب كثافة الجسمين، وأقارن كثافة كل جسم بكثافة الماء (1 g/cm3).
ج) أستنتج كيف يتغير حجم الجزء المغمور من الجسم مع تغير كثافة الجسم.
- أتحقق صفحة 108: ما العلاقة بين قوة الطفو والوزن للأجسام الطافية على سطح السائل؟
الجواب: في الجسم الطافي تكون قوة الطفو مساوية لوزن الجسم.