السوائل وقوانين نيوتن
| English | العربية |
|---|---|
| buoyant force/ˈbɔɪənt fɔːs/ | القوة الدافعة |
سفينة فولاذية تطفو، لكن مسمار فولاذي يغمر
- أسقط مسمارًا فولاذيًا في الماء فسيغرق فورًا. ومع ذلك، سفينة مصنوعة من آلاف الأطنان من الفولاذ تطفو.
- السفينة تفوز بدفع حجم ضخم من الماء — بما يكفي لرفع وزنها.
- الدفع لأعلى من المائع هو القوة الدافعة.
- تخضع لقاعدة بسيطة وجميلة اكتشفها أرخميدس.
مبدأ أرخميدس
- القوة الدافعة تساوي وزن المائع المُزاح: $F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$.
- تنشأ لأن الضغط أكبر أسفل الجسم منه في الأعلى.
- $V$ هو الحجم المغمور، و$\rho_{\text{fluid}}$ كثافة المائع.
- ادفع مائعًا أكثر، أو مائعًا أكثر كثافة، لتحصل على قوة دفع أعلى.
كتلة حجمها $0.002\ \text{m}^3$ مغمورة في الماء ($\rho = 1000\ \tfrac{\text{kg}}{\text{m}^3}$، $g = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$). ما هي قوة الدفع، بوحدة $\text{N}$؟
$F_b = \rho V g = 1000 \times 0.002 \times 10 = 20\ \text{N}$.
تنص مبدأ أرخميدس على أن قوة الدفع تساوي:
$F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ — وزن السائل الذي يدفعه الجسم جانباً.
طفو أم غمر؟ قارن القوى
- قارن القوة الدافعة (لأعلى) بوزن الجسم (لأسفل) — موازنة قانون نيوتن.
- إذا استطاعت الطفو مساواة الوزن، فإن الجسم يطفو؛ غير ذلك، يغرق.
- أو ببساطة، قارن الكثافات: أقل كثافة من المائع ⇒ يطفو؛ أعلى كثافة ⇒ يغمر.
- السفينة تطفو لأن كثافتها الكلية (متوسطة)، الهيكل والهواء، منخفضة.
هل يطفو؟
قارن كثافة الجسم بكثافة السائل لترى كيف تحدد الطفو أو الغوص قوة الدفع.
يطفو جسم في سائل عندما يكون الجسم:
أقل كثافة من السائل ⇒ يمكن للدفع دعم وزنه ⇒ يطفو.
تطفو سفينة فولاذية لأن متوسط كثافتها الإجمالية (فولاذ هواء) أقل من كثافة الماء.
يحتفظ الهيكل المجوف بالهواء، مما يقلل الكثافة المتوسطة للسفينة دون كثافة الماء.
حدد جميع العوامل التي تزيد من قوة الدفع على جسم مغمور كلياً.
$F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ ينمو مع الحجم وكثافة السائل و$g$. اللون غير مهم.
لماذا يبدو أخف تحت الماء
- ارفع صخرة تحت الماء فتبدو أخف — القوة الدافعة تساعدك.
- وزنه الظاهري هو الوزن الحقيقي ناقص القوة الدافعة.
- غمر كلياً، جسم أ كثف من الماء لا يزال يغوص، ولكن بوزن ظاهري مُنخض.
- الطفو هو ببساطة تطبيق قوانين نيوتن على ضغط المائع المحيط.
الوزن الظاهري لجسم مغمور هو وزنه الحقيقي ناقص قوة ____.
الوزن الظاهري $=$ الوزن الحقيقي $-$ قوة الدفع، لذلك تبدو الأشياء أخف تحت الماء.
يعتمد الطفو على حجم المائع المُزاح وكثافة المائع — ليس على كثافة الجسم أو وزنه مباشرة. تحديد الطفو مقابل الغوص يتم بمقارنة قوة الطفو بالوزن (أو كثافة الجسم بكثافة المائع).
كتلة حجمها $0.002\ \text{m}^3$ مغمورة كلياً في الماء ($\rho = 1000\ \tfrac{\text{kg}}{\text{m}^3}$، $g = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$).
- $F_b = \rho V g = 1000 \times 0.002 \times 10 = 20\ \text{N}$.
إذا كانت الكتلة أثقل من $20\ \text{N}$ تغوص؛ وأخف، ترتفع وتطفو.
قوة الطفو تساوي وزن المائع المُزاح: $F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ (مبدأ أرخميدس). الجسم يطفو إذا كان هذا يوازن وزنه — أي أنه أقل كثافة من المائع — ويغوص إذا لم يكن كذلك. الأجسام تحت الماء لها وزن ظاهري مُنخفض.