قوة الطفو هي قوة معاكسة للجاذبية ، وتؤثر على جميع الأجسام المغمورة في سائل. عندما يتم وضع جسم ما في سائل ، تضغط كتلة الجسم على السائل (سائل أو غاز) ، بينما تدفع قوة الطفو الجسم ضد الجاذبية. بشكل عام ، يمكن حساب قوة الطفو هذه بالمعادلة Fأ = V.ر × × ز مع Fأ هي قوة الطفو ، V.ر حجم الجسم المغمور ، كثافة السائل ، و g هي قوة الجاذبية. لمعرفة كيفية تحديد طفو كائن ما ، انظر الخطوة 1 أدناه للبدء.
خطوة
طريقة 1 من 2: استخدام معادلة الطفو
الخطوة 1. ابحث عن حجم الجزء المغمور من الجسم
تتناسب قوة الطفو المؤثرة على الجسم مع حجم الجسم المغمور. بمعنى آخر ، كلما زاد الجزء الصلب المغمور من الجسم ، زادت قوة الطفو المؤثرة على الجسم. هذا يعني أن الأجسام المغمورة في سائل لها قوة طفو تدفع الجسم لأعلى. لبدء حساب قوة الطفو المؤثرة على جسم ما ، عادة ما تكون خطوتك الأولى هي تحديد حجم الجسم المغمور في السائل. في معادلة الطفو يجب أن تكون هذه القيمة بالأمتار3.
- بالنسبة لجسم مغمور بالكامل في سائل ، فإن الحجم المغمور يساوي حجم الجسم نفسه. بالنسبة للأجسام التي تطفو فوق سطح السائل ، يتم حساب الحجم الموجود أسفل السطح فقط.
- على سبيل المثال ، افترض أننا نريد إيجاد قوة الطفو المؤثرة على كرة مطاطية تطفو على الماء. إذا كانت الكرة المطاطية عبارة عن كرة كاملة قطرها 1 متر وتطفو ونصفها مغمور تحت الماء ، فيمكننا إيجاد حجم الجزء المغمور بإيجاد الحجم الكلي للكرة والقسمة على اثنين. بما أن حجم الكرة هو (4/3) (نصف القطر)3 ، نعلم أن حجم الكرة لدينا هو (4/3) π (0 ، 5)3 = 0.524 متر3. 0, 524/2 = 0.262 متر3 حوض.
الخطوة الثانية. ابحث عن كثافة السائل
الخطوة التالية في عملية إيجاد الطفو هي تحديد الكثافة (بالكيلوجرام / متر3) السائل الذي يغمر فيه الجسم. الكثافة هي قياس كتلة جسم أو مادة بالنسبة لحجمها. إذا تم إعطاء جسمين لهما نفس الحجم ، فسيكون للكائن ذي الكثافة الأكبر كتلة أكبر. وفقًا للقاعدة ، كلما زادت كثافة السائل الذي يُغطس فيه الجسم ، زادت قوة الطفو. بالنسبة إلى السوائل ، عادةً ما تكون أسهل طريقة لتحديد الكثافة هي البحث عنها في مادة مرجعية.
- في مثالنا ، تطفو الكرة في الماء. بالنظر إلى المصادر الأكاديمية ، يمكننا أن نجد أن كثافة الماء تقارب. 1000 كجم / متر3.
- يتم سرد كثافات السوائل الأخرى المستخدمة على نطاق واسع في المصادر الهندسية. يمكن العثور على إحدى القوائم هنا.
الخطوة الثالثة. أوجد قوة الجاذبية (أو بعض القوى النزولية الأخرى)
سواء كان الجسم يغرق أو يطفو في سائل ، فإنه دائمًا ما يكون له قوة جاذبية. في العالم الحقيقي ، ثابت القوة الهابطة يساوي 9.81 نيوتن / كيلوغرام. ومع ذلك ، في الحالات التي تعمل فيها قوى أخرى ، مثل قوة الطرد المركزي ، على السائل والجسم المغمور فيه ، يجب أيضًا أخذ هذه القوة في الاعتبار لتحديد صافي القوة الهابطة للنظام بأكمله.
- في مثالنا ، نحن نعمل بنظام ثابت ثابت ، لذا يمكننا أن نفترض أن القوة الهابطة الوحيدة المؤثرة على السوائل والأجسام هي قوة الجاذبية العامة - 9.81 نيوتن / كيلوغرام.
- ومع ذلك ، ماذا لو كانت كرتنا ، التي تطفو في دلو من الماء ، تتأرجح في دائرة في اتجاه أفقي بسرعة عالية؟ في هذه الحالة ، بافتراض أن الدلو يتأرجح بسرعة كافية بحيث لا ينسكب الماء والكرة ، فإن القوة الهابطة في هذه الحالة ستشتق من قوة الطرد المركزي الناتجة عن تأرجح الجرافة ، وليس من جاذبية الأرض.
الخطوة 4. اضرب الحجم × الكثافة × الجاذبية
إذا كان لديك قيمة حجم الجسم الخاص بك (بالأمتار3) ، كثافة السوائل الخاصة بك (بالكيلوجرام / متر3) ، وقوة الجاذبية (القوة الهابطة على نظامك) ، لذلك من السهل جدًا العثور على الطفو. اضرب هذه القيم الثلاث لإيجاد قوة الطفو بوحدة النيوتن.
لنحل مسألة المثال عن طريق التعويض بالقيم في المعادلة Fأ = V.ر × × ز. Fأ = 0.262 متر3 × 1،000 كجم / متر3 × 9.81 نيوتن / كيلوجرام = 2570 نيوتن.
الخطوة 5. معرفة ما إذا كان الجسم يطفو عن طريق مقارنة الطفو بقوة الجاذبية
باستخدام معادلة الطفو ، من السهل إيجاد القوة التي تدفع الجسم لأعلى ويخرج من السائل. ومع ذلك ، مع القليل من الجهد الإضافي ، من الممكن أيضًا تحديد ما إذا كان الكائن سوف يطفو أو يغرق. فقط أوجد قوة الطفو لكامل الجسم (بمعنى آخر ، استخدم الحجم الكامل لقيمة V.ر) ، ثم أوجد قوة الجاذبية التي تدفعه لأسفل بالمعادلة G = (كتلة الجسم) (9.81 متر / ثانية2). إذا كانت قوة الطفو أكبر من قوة الجاذبية ، فسوف يطفو الجسم. من ناحية أخرى ، إذا كانت قوة الجاذبية أكبر من قوة الطفو ، فسيغرق الجسم. إذا كانت المقادير متساوية ، يُقال أن الجسم يطفو.
-
على سبيل المثال ، لنفترض أننا نريد معرفة ما إذا كان برميل خشبي أسطواني كتلته 20 كيلوجرامًا وقطره 0.75 مترًا وارتفاعه 1.25 مترًا سوف يطفو في الماء. ستستخدم هذه المشكلة عدة خطوات:
- يمكننا إيجاد الحجم بصيغة حجم الأسطوانة V = (نصف القطر)2(طويل). الخامس = (0 ، 375)2(1, 25) = 0.55 متر3.
- بعد ذلك ، بافتراض أن مقدار الجاذبية عادي وأن مقدار الماء ذي الكثافة العادية ، يمكننا إيجاد قوة الطفو للبرميل. 0.55 متر3 × 1000 كجم / متر3 × 9.81 نيوتن / كيلوجرام = 5،395 ، 5 نيوتن.
- الآن ، علينا إيجاد قوة الجاذبية للبرميل. G = (20 كجم) (9.81 متر / ثانية2) = 196.2 نيوتن. هذه القوة أقل من قوة الطفو ، لذلك سوف يطفو البرميل.
الخطوة 6. استخدم نفس الطريقة إذا كان السائل الخاص بك عبارة عن غاز
عند العمل على مشاكل الطفو ، لا تنس أن السائل الذي يغمر الجسم فيه لا يجب أن يكون سائلاً. الغازات هي أيضًا سوائل ، وعلى الرغم من أن الغازات ذات كثافة منخفضة جدًا مقارنة بالمواد الأخرى ، إلا أنها لا تزال قادرة على تحمل كتل معينة من الأجسام العائمة في الغاز. بالون الهيليوم البسيط هو دليل على ذلك. لأن الغاز في البالون أقل كثافة من السائل المحيط (الهواء المحيط) ، يطفو البالون!
طريقة 2 من 2: إجراء تجربة طفو بسيطة
الخطوة 1. ضع وعاءً صغيرًا أو كوبًا داخل وعاء أكبر
مع بعض الأدوات المنزلية ، من السهل رؤية مبادئ الطفو في التجربة! في هذه التجربة البسيطة ، سوف نوضح أن الجسم المغمور يتعرض لقوة طفو لأنه يزيح حجمًا من السائل يساوي حجم الجسم المغمور. أثناء قيامنا بذلك ، سنشرح طريقة عملية لإيجاد قوة الطفو لجسم بهذه التجربة. للبدء ، ضع حاوية صغيرة مفتوحة ، مثل وعاء أو كوب ، داخل وعاء أكبر ، مثل وعاء كبير أو دلو.
الخطوة 2. املأ الحاوية الصغيرة حتى أسنانها
بعد ذلك ، املأ الحاوية الداخلية الأصغر بالماء. تريد أن تكون المياه عالية مثل الحاوية دون انسكاب. كن حذرا هنا! إذا سكبت الماء ، أفرغ الحاوية الأكبر قبل المحاولة مرة أخرى.
- لأغراض هذه التجربة ، لا بأس من افتراض أن كثافة الماء عامة تبلغ 1000 كجم / متر3. ما لم تكن تستخدم مياه البحر أو سائلًا مختلفًا تمامًا ، فإن معظم أنواع المياه لها نفس كثافة هذه القيمة المرجعية تقريبًا ، لذا فإن اختلافًا بسيطًا لن يغير نتائجنا.
- إذا كان لديك قطرات للعين ، فقد يكون ذلك مفيدًا جدًا في رفع مستوى الماء في وعاء صغير.
الخطوة الثالثة. اغمر الجسم الصغير
بعد ذلك ، ابحث عن جسم صغير يلائم وعاء صغير ولا يتلفه الماء. أوجد كتلة هذا الجسم بالكيلوجرام (قد ترغب في استخدام ميزان أو ميزان يمكنه أخذ جرامات وتحويلها إلى كيلوجرامات). ثم ، دون أن تبلل أصابعك ، ببطء ولكن بثبات ، قم بغمس الجسم في الماء حتى يبدأ في الطفو أو يمكنك الإمساك به قليلاً ثم تحريره. ستلاحظ أن بعض الماء الموجود في الحاوية الصغيرة سوف ينسكب في الحاوية الخارجية.
لأغراض مثالنا ، افترض أننا قمنا بغمس سيارة لعبة كتلتها 0.05 كيلوغرام في وعاء صغير. لا نحتاج إلى معرفة حجم هذه السيارة لحساب طفوها لأننا سنرى ذلك في الخطوة التالية
الخطوة 4. اجمع وعد الماء المنسكب
عندما تغمر جسمًا في الماء ، فإنه يزيح بعضًا من الماء - وإلا فلن يكون هناك مكان لوضع الجسم في الماء. عندما يدفع الجسم الماء للخارج ، يدفع الماء للخلف ، مما يخلق قوة طفو. خذ الماء المنسكب من وعاء صغير واسكبه في كوب قياس صغير. حجم الماء في كوب القياس يساوي حجم الجسم المغمور.
بمعنى آخر ، إذا كان الجسم يطفو ، فإن حجم الماء المتسرب سيكون مساويًا لحجم الجسم المغمور تحت سطح الماء. إذا غرق الجسم ، فإن حجم الماء المنسكب يساوي الحجم الكلي للجسم
الخطوة 5. احسب كتلة الماء المنسكب
بما أنك تعرف كثافة الماء ويمكنك قياس حجم الماء الذي ينسكب في كوب القياس ، يمكنك إيجاد كتلته. فقط قم بتغيير الحجم إلى أمتار3 (يمكن أن تساعد أدوات التحويل عبر الإنترنت ، مثل هذه ،) وضربها في كثافة الماء (1000 كيلوغرام / متر)3).
في مثالنا ، افترض أن سيارة اللعب الخاصة بنا تغرق في حاوية صغيرة وتتحرك حوالي ملعقتين كبيرتين (0.0003 متر3). لإيجاد كتلة الماء ، سنضربها في كثافتها: 1000 كجم / متر3 × 0.0003 متر3 = 0.03 كجم.
الخطوة 6. قارن كتلة الماء المنسكب بكتلة الجسم
الآن بعد أن عرفت كتلة الجسم الذي تغمره في الماء وكتلة الماء المنسكب ، قارن بينهما لمعرفة الكتلة الأكبر. إذا كانت كتلة الجسم المغمور في وعاء صغير أكبر من الماء المنسكب ، فسيغرق الجسم. من ناحية أخرى ، إذا كانت كتلة الماء المنسكب أكبر ، فسوف يطفو الجسم. هذا هو مبدأ الطفو في التجربة - لكي يطفو الجسم ، يجب أن يزيح كمية من الماء بكتلة أكبر من كتلة الجسم نفسه.
- وبالتالي ، فإن الأجسام ذات الكتلة المنخفضة ولكن ذات الحجم الكبير هي أنواع الأشياء التي تطفو بسهولة أكبر. هذه الخاصية تعني أن الأجسام المجوفة تطفو بسهولة شديدة. تخيل زورقًا - يطفو الزورق جيدًا لأنه مجوف من الداخل ، لذلك يمكنه تحريك الكثير من الماء دون الحاجة إلى وجود كتلة كبيرة. إذا لم يكن الزورق مجوفًا (صلبًا) ، فلن يطفو الزورق بشكل صحيح.
- في مثالنا ، كتلة السيارة أكبر (0.05 كيلوغرام) من الماء المنسكب (0.03 كيلوغرام). هذا يتفق مع ما نلاحظه: تغرق السيارات.
