اصل ارشمیدس: راز شناوری اجسام
داستان کشف و درک پایه
ارشمیدس، دانشمند یونانی، حدود ۲۲۰۰ سال پیش هنگامی که در حمام بود، متوجه شد بدنش در آب سبک‌تر به نظر میرسد. او با شتاب از حمام خارج شد و فریاد زد "یافتم! یافتم!". او فهمید که هر جسمی که در یک سیال (مانند آب یا هوا) غوطه‌ور شود، نیرویی به سمت بالا به آن وارد می‌شود. این نیرو برابر است با وزن سیالی که جسم جابجا می‌کند.
برای درک بهتر، یک سطل پر از آب را در نظر بگیرید که تا لبه پر شده است. اگر یک سنگ را داخل آن بیندازید، مقداری آب از سطل بیرون می‌ریزد. آب بیرون‌ریخته شده، دقیقاً همان حجمی است که سنگ اشغال کرده است. اصل ارشمیدس می‌گوید نیروی بالابرنده‌ای که به سنگ وارد می‌شود، برابر با وزن همان آبی است که بیرون ریخته است.
که در آن:
$ \rho_{fluid} $ چگالی سیال، $ V_{displaced} $ حجم سیال جابجا شده و $ g $ شتاب گرانش زمین است.
چگالی، کلید طلایی شناوری یا غرق‌شدگی
سرنوشت یک جسم در آب (شناور بماند، غرق شود یا در میانه معلق بماند) به رابطه بین چگالی جسم و چگالی سیال بستگی دارد. چگالی یعنی جرم5 یک ماده در واحد حجم آن.
| شرط چگالی | نتیجه | مثال عینی |
|---|---|---|
| چگالی جسم | شناور می‌ماند | چوب پنبه روی آب |
| چگالی جسم = چگالی سیال | درون سیال معلق می‌ماند | تخم مرغ در آب شور غلیظ |
| چگالی جسم > چگالی سیال | غرق می‌شود | سنگ در آب |
مثلاً چگالی یخ 0.92 گرم بر سانتی‌متر مکعب و چگالی آب 1 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. چون چگالی یخ از آب کمتر است، روی آب شناور می‌ماند. وقتی یخ شناور است، نیروی شناوری وارد بر آن دقیقاً برابر با وزن خود یخ است.
شناوری کشتی‌های عظیم فولادی چگونه ممکن است؟
این یک پرسش رایج است. چگونه یک کشتی فولادی با وزن هزاران تن روی آب شناور می‌ماند، در حالی که یک میخ کوچک فولادی در آب غرق می‌شود؟ پاسخ در حجم و شکل نهفته است. کشتی طوری طراحی شده که حجم بسیار زیادی از آب را جابجا کند. اگرچه فولاد چگالی بالایی دارد و غرق می‌شود، اما کشتی یک محفظهٔ توخالی بزرگ است که عمدتاً از هوا پر شده است. میانگین چگالی کل کشتی (فولاد + هوای داخل آن) از چگالی آب کمتر است. بنابراین، نیروی شناوری بزرگی که ناشی از جابجایی حجم عظیمی از آب است، بر کشتی وارد شده و آن را روی آب نگه می‌دارد.
حالا یک تکه فولاد جامد را در نظر بگیرید. چگالی آن از آب بیشتر است و حجم کمی آب را جابجا می‌کند، در نتیجه نیروی شناوری کوچکی ایجاد می‌شود که نمی‌تواند بر وزن آن غلبه کند و غرق می‌شود.
کاربردهای اصل ارشمیدس در زندگی و فناوری
این اصل فقط یک مفهوم تئوری نیست، بلکه در بسیاری از جنبه‌های زندگی و صنعت کاربرد دارد:
طراحی شناورها: از قایق‌های کوچک گرفته تا ناوگان‌های عظیم دریایی و زیردریایی‌ها. زیردریایی‌ها با تنظیم مقدار آب در مخازن بالاست6، چگالی کلی خود را تغییر می‌دهند تا غوطه‌ور شده یا به سطح بیایند.
هواپیما و هیدرومتر7: هوا نیز یک سیال است. نیروی برآ8 در بال‌های هواپیما، شکل پیچیده‌تری از همین اصل است. هیدرومتر نیز وسیله‌ای است که با استفاده از اصل شناوری، چگالی مایعات را اندازه‌گیری می‌کند.
شنا کردن: بدن انسان معمولاً چگالی نزدیک به آب دارد. با شش‌های پر از هوا، ما تمایل به شناوری داریم. با بیرون دادن هوا، چگالی بدن افزایش یافته و غرق‌شدگی آسان‌تر می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. این اصل برای تمامی سیالات،شامل شدن مایعات (مانند نفت، الکل) و گازها (مانند هوا) صادق است. یک بادکنک هلیومی به این دلیل بالا می‌رود که چگالی هلیوم از چگالی هوا کمتر است و نیروی شناوری بر وزن آن غلبه می‌کند.
خیر. نیروی شناوری فقط به چگالی سیال و حجم قسمتی از جسم که در سیال غوطه‌ور است بستگی دارد. اگر یک جسم کاملاً در آب غوطه‌ور شود، نیروی شناوری در هر عمقی یکسان است، زیرا چگالی آب (در شرایط معمولی) تغییر نمی‌کند و حجم جابجا شده ثابت است.
وقتی جسمی شناور است، نیروی شناوری فقط برابر با وزن همان حجمی از آب است که توسط قسمت غوطه‌ور شده جسم جابجا شده است، نه کل حجم جسم. این نیرو دقیقاً برابر با وزن کل خود جسم است (طبق قانون اول نیوتن، زیرا جسم در حالت تعادل است).
پاورقی
1 اصل ارشمیدس (Archimedes' Principle)
2 نیروی شناوری (Buoyant Force)
3 سیال (Fluid) به مواد مایع و گاز گفته می‌شود که قابلیت جاری شدن دارند.
4 چگالی (Density) برابر است با جرم یک ماده تقسیم بر حجم آن.
5 جرم (Mass) مقدار ماده تشکیل دهنده یک جسم است.
6 مخزن بالاست (Ballast Tank)
7 هیدرومتر (Hydrometer)
8 نیروی برآ (Lift Force)
