مبدأ أرخميدس

• فهم مبدأ أرخميدس وملاحظة آثاره على أجسام مختلفة ذات كثافات مختلفة

في الفيزياء، يُعرف الطفو بأنه القوة التصاعدية التي تؤثر على جسم ما، وينتجها السائل أو الغاز المحيط به الذي يكون مغمورًا فيه كليًّا أو جزئيًّا، وذلك نتيجة لفارق الضغط في المائع بين الجزء العلوي والجزء السفلي من الجسم.

تساوي قوة الطفو الصافية في الاتجاه الصعودي مقدار وزن السائل الذي يزيحه الجسم. وتُمكّن هذه القوة الجسم من الطفو أو على الأقل من أن يبدو أخف وزنًا.

تعد قوة الطفو عاملاً مهمًا للعديد من المركبات مثل القوارب والسفن والبالونات، كما أنها تلعب دورًا مهمًا في ظواهر طبيعية مختلفة مثل الترسيب. وقد سُمي مبدأ أرخميدس على اسم أرخميدس من سيراكيوز، الذي كان أول من اكتشف القانون التالي المتعلق بجسم مغمور في سائل.

"أي جسم مغمور كليًّا أو جزئيًّا في سائل، ترتفع قوة تطفو عليه تساوي وزن السائل الذي يزيحه هذا الجسم."

يزداد الضغط مع زيادة العمق تحت سطح السائل. أي جسم له عمق رأسي غير صفر سيتعرض لضغوط مختلفة على سطحه العلوي والسفلي، حيث يكون الضغط على السطح السفلي أعلى. ويؤدي هذا الاختلاف في الضغط إلى ظهور قوة الطفو الصاعدة.

حيث ρ هي كثافة السائل، و h هي العمق (الارتفاع السالب)، و g هي ثابت الجاذبية (9,8 نيوتن/كيلوغرام على الأرض).

أي جسم تكون كثافته المتوسطة أعلى من كثافة السائل تكون قوة طفوه أقل من وزنه، وبالتالي فإنه يغرق. أما السفينة فتطفو على السطح لأنه على الرغم من أنها مصنوعة من الفولاذ، الذي تزيد كثافته عن كثافة الماء، فإنها تحتوي على حجم من الهواء، مما يجعل الكثافة المتوسطة لشكلها الناتج أقل من كثافة الماء.

إذا كان وزن الجسم أقل من وزن السائل الذي تم إزاحته عند غمره بالكامل، فإن متوسط كثافة هذا الجسم يكون أقل من كثافة السائل، وتكون قوة الطفو فيه أكبر من وزنه.

إذا كان للسائل سطح، مثل الماء في بحيرة أو البحر، فإن الجسم سيطفو عند مستوى يزيح فيه كمية من السائل تعادل وزنه. أما إذا كان الجسم مغمورًا في السائل، مثل غواصة مغمورة أو الهواء داخل بالون، فإنه سيميل إلى الصعود.

إذا كانت كثافة الجسم مساوية تمامًا لكثافة السائل، فإن قوة الطفو التي يتعرض لها تساوي وزنه. وسيظل الجسم مغمورًا في السائل، لكنه لن يغرق ولن يطفو. أما الجسم الذي تزيد كثافته المتوسطة عن كثافة السائل، فإن قوة الطفو التي يتعرض لها تقل عن وزنه، وبالتالي سيغرق.

ستطفو السفينة على الرغم من أنها مصنوعة من الفولاذ (الذي تزيد كثافته عن كثافة الماء بكثير)، لأنها تحتوي على حجم من الهواء (الذي تقل كثافته عن كثافة الماء بكثير)، وبالتالي فإن الشكل الناتج يكون متوسط كثافته أقل من كثافة الماء.

تطفو السفينة بفضل قوة الطفو وفقًا لمبدأ أرخميدس.

• أنبوب أسطواني مقسم إلى وحدات سعة، طويل الشكل ومزود بفوهة. السعة 100 × 1 مل، زجاج بوروسيليكات — MEC-001
• قضيب مزود بخطاف، قطره 10 مم، طوله 127 مم — MEC-034
• ميزان زنبركي أنبوبي، بلاستيكي (مقياس قوة)، نطاق القياس 2.5 نيوتن — MEC-015
• كتل أسطوانية مزودة بخطاف (10، 25، 50 غ) — MEC-018، MEC-019، MEC-020
• ملونات الطعام — MEC-057

• ما هي الخاصية الفيزيائية التي يعتمد عليها قوة الطفو الناتجة عن مبدأ أرخميدس؟
• يُقال إن الجسم المغمور في سائل يكون في حالة توازن عندما تكون قوة الطفو أكبر من وزنه أم أصغر منه أم مساوية له تمامًا؟
• الطفاوة هي قوة يتجه اتجاهها في نفس اتجاه الوزن. فما هو الاتجاه المفترض أن يكون لها؟
• بناءً على ما لاحظته في هذه التجربة، وبتطبيق هذه الاعتبارات على السوائل، هل ستطفو الأجسام ذات الكثافة الأقل مقارنةً بكثافة الهواء، أم سترتفع بفعل قوة الطفو، أم ستسقط تحت تأثير الجاذبية؟