شناوری: راز ماندن اجسام روی آب
نیروی شناوری و اصل ارشمیدس: ستونهای اصلی شناوری
وقتی جسمی را در یک مایع (مثل آب) فرو میبرید، مایع به همهٔ سطح جسم فشار وارد میکند. اما جالب اینجاست که فشار از پایین به بالا، بیشتر از فشار از بالا به پایین است. این تفاوت فشار، منجر به ایجاد یک نیروی خالص به سمت بالا میشود که به آن نیروی شناوری میگویند.
برای درک بهتر، یک تکه چوب را تصور کنید که آن را به زور به زیر آب فشار میدهید. احساس میکنید آب با نیرویی قوی سعی در بالا بردن چوب دارد. این همان نیروی شناوری است که برابر با وزن آبی است که حجم چوب جای آن را گرفته است.
نقش حیاتی چگالی در سرنوشت یک جسم
چگالی معیاری از مقدار جرم7 موجود در یک حجم معین است. فرمول آن به صورت زیر است:
$\rho = \frac{m}{V}$
که در آن $\rho$ (رو) نماد چگالی، $m$ جرم جسم و $V$ حجم آن است. چگالی کلیدیترین عامل در تعیین شناوری است:
- اگر چگالی جسم باشد، جسم شناور میماند (مانند چوب روی آب).
- اگر چگالی جسم > چگالی مایع باشد، جسم غرق میشود (مانند سنگ در آب).
- اگر چگالی جسم = چگالی مایع باشد، جسم در حالت تعادل و معلق میماند (مانند ماهی با کیسهٔ شنا8 تنظیمشده).
| ماده | چگالی تقریبی (g/cm³) | نتیجه در آب شیرین (چگالی ~1 g/cm³) |
|---|---|---|
| چوب پنبه | 0.24 | شناور میماند |
| یخ | 0.92 | شناور میماند |
| نفت | 0.85 | شناور میماند (روی آب) |
| آلومینیم | 2.7 | غرق میشود |
| آهن | 7.87 | غرق میشود |
شکل ظاهری و حجم: کلید طراحی شناورهای غولپیکر
حال سؤال اینجاست: اگر چگالی آهن تقریباً هشت برابر آب است، پس چگونه کشتیهای عظیم آهنی شناور میمانند؟ پاسخ در مفهوم چگالی متوسط و حجم آب جابهجا شده نهفته است. کشتی اگرچه از آهن ساخته شده، اما درون آن حجم بسیار زیادی هوا وجود دارد. بنابراین، متوسط چگالی کل کشتی (آهن + هوا) از چگالی آب کمتر میشود.
کشتی با فرو رفتن در آب، حجم زیادی آب را جابهجا میکند. وزن این آب جابهجا شده، طبق اصل ارشمیدس، برابر با نیروی شناوری است. کشتی آنقدر در آب فرو میرود تا زمانی که نیروی شناوری (برابر وزن آب جابهجا شده) دقیقاً با وزن کل کشتی برابر شود. به این سطح فرورفتگی، خط آبخور9 میگویند.
یک آزمایش ساده: یک ورق آلومینیمی مچالهشده را در آب بیندازید، غرق میشود. حالا همان ورق را به شکل یک قایق باز کنید. همان جرم آلومینیم حالا حجم بیشتری را اشغال میکند، بنابراین آب بیشتری را جابهجا میکند و نیروی شناوری بزرگتری ایجاد مینماید که باعث شناور ماندن آن میشود.
از استخر شنا تا اقیانوسپیماها: کاربردهای شناوری
شناوری فقط یک موضوع درسی نیست، کاربردهای عملی فراوانی دارد که برخی از آنها را هر روز میبینیم یا تجربه میکنیم:
- کشتیسازی و قایقها: تمام شناورها بر پایهٔ اصل ارشمیدس طراحی میشوند. محاسبهٔ دقیق حجم و وزن برای ایمنی ضروری است.
- زیردریاییها: این وسایل با تغییر چگالی متوسط خود، شناوری را کنترل میکنند. با پر کردن مخازن از آب دریا، چگالی افزایش یافته و غوطهور میشوند. برای صعود، آب را با هوای فشرده خارج میکنند تا چگالی کاهش یابد.
- شنا کردن انسان: بدن انسان معمولاً چگالی کمی بیش از آب شیرین دارد، به همین دلیل غرق میشویم مگر اینکه با حرکت دست و پا آب را به پایین برانیم (ایجاد نیروی عکسالعمل). اما در آب دریا که چگالی بیشتری دارد به دلیل نمک، نیروی شناوری بیشتر است و شناور ماندن راحتتر است.
- توپ بینگپونگ و شیلنگ سطحسنج: در یک سطل آب، توپ بینگپونگ همیشه به سطح میآید. شیلنگ پلاستیکی خالی نیز روی آب میماند. اینها مثالهای سادهای از شناوری هستند.
- صنعت و حملونقل: از بارجها10 برای حمل کالا روی رودخانهها تا سکوهای نفتی شناور در دریا، همه بر همین اصول استوارند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، سبک یا سنگین بودن مطلق (جرم) ملاک نیست، بلکه نسبت جرم به حجم یعنی چگالی مهم است. یک کشتی باری اگرچه جرم زیادی دارد، اما حجم عظیمی هم دارد. متوسط چگالی آن (وزن تقسیم بر حجم کلی) از آب کمتر است، بنابراین شناور میماند.
پاسخ: میخ آهنی چگالی بالایی دارد (آهن خالص) و حجم کمی آب را جابهجا میکند، بنابراین نیروی شناوری ایجادشده از وزن میخ کمتر است. اما کشتی، شکل ظاهری آن طوری طراحی شده که حجم هوای درونی زیادی دارد. این امر چگالی متوسط کل کشتی را به شدت کاهش داده و حجم آب جابهجا شده را به اندازهای افزایش میدهد که نیروی شناوری عظیمی تولید کند.
پاسخ: خیر، اصل ارشمیدس برای همهٔ سیالات (مایعات و گازها) صدق میکند. مثلاً یک بادکنک هلیوم در هوا شناور میماند، چون چگالی هلیوم از چگالی هوا کمتر است. یا یک بالن هوای گرم به دلیل گرم شدن و کاهش چگالی هوای درون آن، بالا میرود.
پاورقی
1 شناوری (Buoyancy).
2 نیروی شناوری (Buoyant Force).
3 اصل ارشمیدس (Archimedes' Principle).
4 چگالی (Density).
5 هیدرودینامیک (Hydrodynamics).
6 مهندسی دریایی (Naval Engineering).
7 جرم (Mass).
8 کیسهٔ شنا (Swim Bladder).
9 خط آبخور (Waterline).
10 بارج (Barge).
