الطفو والغوص وعلاقة ذلك بالكثافة
لماذا تطفو قطعة خشب فوق الماء بينما يغوص مسمار حديد صغير؟ ولماذا تطفو سفينة ضخمة مصنوعة من المعدن؟ هذه الأسئلة تبدو متناقضة في البداية، لكنها تصبح منطقية عندما نفهم الكثافة وقوة الطفو. الطفو والغوص لا يعتمدان على حجم الجسم وحده أو كتلته وحدها، بل على العلاقة بين كثافة الجسم وكثافة السائل الذي يوضع فيه، وعلى كمية السائل المزاح.
ما المقصود بالطفو؟
الطفو هو قدرة الجسم على البقاء فوق سطح السائل أو الارتفاع داخله بدل الغوص إلى القاع. عندما نضع جسمًا في الماء تؤثر فيه قوتان رئيسيتان: وزن الجسم إلى أسفل، وقوة الطفو إلى أعلى. إذا كانت قوة الطفو كافية لمعادلة وزن الجسم أو التغلب عليه، يطفو الجسم أو يبقى معلقًا. أما إذا كان وزن الجسم أكبر من قوة الطفو المؤثرة فيه فإنه يغوص.
دور الكثافة
القاعدة المدرسية المبسطة تقول: إذا كانت كثافة الجسم أقل من كثافة السائل فإنه يطفو غالبًا، وإذا كانت كثافته أكبر فإنه يغوص. الخشب أقل كثافة من الماء في كثير من أنواعه، لذلك يطفو. أما الحديد فكثافته أكبر من كثافة الماء، لذلك يغوص إذا كان في صورة مسمار أو قطعة مصمتة.
لكن السفينة المعدنية تطفو لأنها ليست قطعة معدن مصمتة؛ بل تحتوي على فراغات كبيرة مملوءة بالهواء، فيصبح متوسط كثافة السفينة كلها أقل من كثافة الماء. هنا تظهر أهمية التفكير في الجسم ككل، لا في المادة المصنوع منها فقط. وهذا يفسر أيضًا كيف تستطيع الغواصة أن تغوص وتطفو بتغيير كمية الماء والهواء في خزاناتها.
قوة الطفو ومبدأ أرخميدس
ينص مبدأ أرخميدس على أن الجسم المغمور كليًا أو جزئيًا في سائل يتعرض لقوة طفو تساوي وزن السائل الذي يزيحه. كلما أزاح الجسم كمية أكبر من السائل زادت قوة الطفو المؤثرة فيه. لذلك ترتبط طريقة قياس حجم الأجسام غير المنتظمة بالإزاحة أيضًا؛ فارتفاع الماء عند غمر جسم يدل على كمية الماء التي أزاحها.
أمثلة يومية
كرة بلاستيكية فارغة تطفو لأنها تحتوي على هواء ومتوسط كثافتها قليل. حجر صغير يغوص لأن كثافته أكبر من كثافة الماء. الزيت يطفو فوق الماء غالبًا لأن كثافته أقل من كثافة الماء ولا يمتزج به بسهولة. قطعة صلصال مصمتة قد تغوص، لكن إذا شكلناها كقارب صغير يمكن أن تطفو لأنها تزيح ماءً أكثر ويقل متوسط كثافتها.
خلاصة المقال
الطفو والغوص يرتبطان بالكثافة وقوة الطفو. الجسم الأقل كثافة من السائل يميل إلى الطفو، والجسم الأكبر كثافة يميل إلى الغوص. ومع ذلك يجب الانتباه إلى شكل الجسم والفراغات داخله؛ لأن متوسط الكثافة هو الذي يحدد السلوك في كثير من الحالات الواقعية.