نیروی شناوری: راز ماندن اجسام روی آب و پرواز بالنها
ارشمیدس و کشف یک اصل شگفتانگیز
داستان از یونان باستان و دانشمندی به نام ارشمیدس3 شروع میشود. میگویند پادشاه مشکوک بود که تاج طلای او را با نقره مخلوط کردهاند. ارشمیدس در حمام، هنگام پایین رفتن سطح آب به دلیل ورود بدنش به وان، فریاد زد "یورکا!" (یافتم!). او فهمید که حجم آب سرریز شده برابر با حجم قسمتی از بدن اوست که در آب فرورفته. با این ایده، توانست حجم تاج را بدون آسیب زدن به آن اندازهگیری کند و خلوص طلای آن را بررسی کند. از این مشاهده، اصل مهمی به نام اصل ارشمیدس شکل گرفت.
- $F_b$ یا نیروی شناوری است (بر حسب نیوتن).
- $\rho_{fluid}$ چگالی4 مایع است (کیلوگرم بر متر مکعب).
- $V_{displaced}$ حجم مایع جابجا شده است (متر مکعب).
- $g$ شتاب گرانش زمین است (9.8 m/s^2).
چه چیزی تعیین میکند یک جسم غرق شود یا شناور بماند؟
سرنوشت یک جسم در مایع (شناور ماندن، معلق ماندن یا غرق شدن) به رقابت بین دو نیرو بستگی دارد: نیروی وزن جسم (که رو به پایین است) و نیروی شناوری (که رو به بالا است). نتیجه این نبرد به چگالی جسم نسبت به مایع بستگی دارد.
| شرط (مقایسه چگالی) | نتیجه | توضیح | مثال |
|---|---|---|---|
| چگالی جسم $\rho_{object} | شناوری | نیروی شناوری از وزن جسم بیشتر است. جسم روی سطح میایستد و بخشی از آن بیرون آب میماند. | چوب پنبه روی آب، کشتی، یخ |
| چگالی جسم = چگالی مایع $\rho_{object} = \rho_{fluid}$ |
تعادل/شناوری خنثی | نیروی شناوری دقیقاً برابر وزن جسم است. جسم در هر عمقی که قرار داده شود، بیحرکت میماند. | ماهی با کیسهی شنا5 تنظیم شده، زیردریایی در عمق ثابت |
| چگالی جسم > چگالی مایع $\rho_{object} > \rho_{fluid}$ |
غرقشدگی | نیروی وزن از شناوری بیشتر است. جسم به سمت پایین حرکت کرده و کاملاً غرق میشود. | سنگ در آب، میخ آهنی |
حالا میتوانیم راز شناوری کشتیهای بزرگ فولادی را بفهمیم. اگر یک ورق فولاد مسطح را در آب بیندازیم، غرق میشود زیرا چگالی فولاد (حدود 7800 kg/m³) از آب (1000 kg/m³) بسیار بیشتر است. اما وقتی همان فولاد را به شکل کشتی با بدنهای توخالی و بزرگ درمیآوریم، میانگین چگالی کل کشتی (فولاد + هوای داخل) کاهش مییابد. کشتی آنقدر آب جابجا میکند (حجم $V_{displaced}$ بزرگ) که نیروی شناوری ناشی از آن آب، با وزن کل کشتی برابری میکند و کشتی شناور میماند.
نیروی شناوری فقط در آب نیست! نقش آن در هوا و زندگی روزمره
اصل ارشمیدس برای گازها نیز صادق است. هوا نیز یک سیال است و به اجسام داخل خود نیروی شناوری وارد میکند. هرچند این نیرو به دلیل چگالی کم هوا (حدود 1.2 kg/m³) بسیار کوچکتر از نیروی شناوری در آب است، اما قابل اندازهگیری و مهم است.
بالن هوای گرم: هوای داخل بالن با شعله، گرم و منبسط میشود. هوای گرم چگالی کمتری نسبت به هوای سرد اطراف دارد. بنابراین، هوای گرم داخل بالن (به همراه سبد و مسافران) نسبت به هوای سرد همحجم خود سبکتر است. این اختلاف چگالی باعث ایجاد نیروی شناوری خالص رو به بالا میشود که اگر از وزن کل بالن بیشتر شود، بالن به پرواز درمیآید.
توجه کنید: وقتی میگوییم یک بادکنک هلیومی در هوا بالا میرود، دقیقاً همین اتفاق میافتد. گاز هلیوم چگالی بسیار کمتری از هوای اطراف دارد، بنابراین بادکنک پر شده از هلیوم، سبکتر از هوای جابجا شدهی خود است و نیروی شناوری آن را به بالا میراند.
حتی در وزنکشی معمولی نیز نیروی شناوری هوا اثر کوچکی دارد. اگر جسمی را با ترازوی فنری در هوا وزن کنیم و سپس در خلا وزن کنیم، وزن در خلا بسیار اندکی بیشتر خواهد بود زیرا در هوا، نیروی شناوری رو به بالا مقداری از وزن واقعی را خنثی میکند. این اثر برای اجسام با حجم بزرگ و چگالی کم (مانند فوم) محسوستر است.
از شناوری تا طراحی: زیردریاییها چگونه عمق خود را کنترل میکنند؟
زیردریاییها نمونهای عالی و کاربردی از کنترل آگاهانهی نیروی شناوری هستند. آنها طوری طراحی شدهاند که بتوانند در سه حالت شناوری روی سطح، شناوری خنثی در عمق و حتی غرقشدگی (برای مواقع اضطراری) عمل کنند. راز این کار در مخازن بالاست6 و هوا نهفته است.
زیردریایی مخازنی دارد که میتوانند از آب پر یا از هوا پر شوند.
• برای غوطهوری، دریچههای مخازن باز میشوند تا آب دریا وارد آنها شود. ورود آب، وزن زیردریایی را افزایش میدهد (نیروی وزن بیشتر میشود) و اگر از نیروی شناوری پیشین بیشتر شود، زیردریایی به پایین میرود.
• برای ظهور، هوای فشرده به داخل مخازن پمپ میشود و آب را به بیرون میراند. این کار وزن کل را کاهش میدهد. وقتی نیروی شناوری (که ثابت مانده) از وزن جدید بیشتر شود، زیردریایی به سطح میآید.
• برای شناوری خنثی در یک عمق خاص، ناخدا میزان آب و هوا را در مخازن به دقت تنظیم میکند تا وزن کل دقیقاً برابر نیروی شناوری در آن عمق شود. این شبیه به کاری است که ماهی با کیسهی شنا انجام میدهد.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاورقی
1 نیروی شناوری (Buoyant Force).
2 اصل ارشمیدس (Archimedes' Principle).
3 ارشمیدس (Archimedes) دانشمند یونانی.
4 چگالی (Density) به معنی جرم در واحد حجم.
5 کیسهی شنا (Swim Bladder) عضوی در ماهیها برای تنظیم شناوری.
6 مخازن بالاست (Ballast Tanks) مخازنی برای کنترل وزن و شناوری.
