جسم غوطه‌ور: راز شناوری و فرورفتن در سیالات
نیروی شناوری و اصل ارشمیدس چیست؟
وقتی جسمی را کاملاً داخل یک سیال (مانند آب یا هوا) فرو می‌برید، سیال به تمام سطح جسم فشار وارد می‌کند. اما نیرویی به سمت بالا نیز وجود دارد که به آن نیروی شناوری می‌گویند. این نیرو توسط دانشمند یونانی، ارشمیدس، کشف شد. طبق اصل ارشمیدس:
فرمول ریاضی این اصل به صورت زیر است:
$F_b = \rho_{fluid} \times V_{displaced} \times g$
که در آن:
$F_b$ نیروی شناوری،
$\rho_{fluid}$ چگالی سیال،
$V_{displaced}$ حجم سیال جابه‌جا شده، و
$g$ شتاب گرانش است.
مثال: اگر یک سطل پر از آب داشته باشید و یک توپ را داخل آن فرو ببرید، آبی که از سطل بیرون می‌ریزد، همان حجم جابه‌جا شده است. نیروی شناوری برابر با وزن این آب بیرون‌ریخته است.
نقش چگالی در شناوری و غرق‌شدن
چگالی یک ماده به صورت جرم آن در واحد حجم تعریف می‌شود و با فرمول $\rho = \frac{m}{V}$ نشان داده می‌شود. وقتی جسمی در سیال غوطه‌ور می‌شود، رفتار آن به چگالی جسم نسبت به چگالی سیال بستگی دارد. این رابطه در جدول زیر خلاصه شده است:
| شرط چگالی | نتیجه | مثال عملی |
|---|---|---|
| $\rho_{object} | جسم شناور می‌ماند | چوب در آب |
| $\rho_{object} = \rho_{fluid}$ | جسم در عمق معلق می‌ماند | زیردریایی در حالت خنثی |
| $\rho_{object} > \rho_{fluid}$ | جسم غرق می‌شود | سنگ در آب |
برای درک بهتر، یک قطعه یخ را در نظر بگیرید. چگالی یخ حدود 0.917 g/cm³ و چگالی آب 1 g/cm³ است. چون چگالی یخ کمتر است، روی آب شناور می‌ماند.
کاربردهای جسم غوطه‌ور در زندگی روزمره و فناوری
مفهوم جسم غوطه‌ور فقط به آزمایشگاه محدود نمی‌شود. از ساخت کشتی‌های غول‌پیکر فولادی که روی آب شناور می‌مانند تا طراحی زیردریایی‌هایی که می‌توانند در اعماق اقیانوس فرو روند، همه بر اساس همین اصل کار می‌کنند.
مثال عینی: کشتی‌های فولادی
یک کشتی فولادی بسیار سنگین است، اما شکل آن به گونه‌ای طراحی شده که حجم زیادی از آب را جابه‌جا می‌کند. این حجم جابه‌جا شده آنقدر بزرگ است که نیروی شناوری حاصل از آن بر وزن کل کشتی غلبه می‌کند و کشتی شناور می‌ماند. اگر همان فولاد را به صورت یک تکه جامد و فشرده درآورید، به دلیل حجم کم و چگالی بالا، بلافاصله غرق می‌شود.
مثال عینی: زیردریایی
زیردریایی‌ها با تغییر چگالی مؤثر خود، شناوری را کنترل می‌کنند. آن‌ها مخازنی دارند که می‌توانند با آب پر یا خالی شوند. وقتی مخازن پر از آب می‌شوند، چگالی متوسط زیردریایی افزایش یافته و غرق می‌شود. وقتی آب با هوای فشرده جایگزین می‌شود، چگالی کاهش یافته و به سطح می‌آید.
مثال ساده‌تر: شناور شدن انسان در آب شور
شناور ماندن در دریای مرده (که آب آن شورتر است) بسیار راحت‌تر از استخر آب شیرین است. دلیل این است که نمک حل‌شده، چگالی آب را افزایش می‌دهد. در نتیجه، نیروی شناوری بیشتری به بدن انسان وارد می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. نیروی شناوری فقط به چگالی سیال و حجم قسمتی از جسم که در سیال غوطه‌ور شده بستگی دارد. اگر جسم کاملاً غوطه‌ور شود، مهم نیست که در عمق 1 متری باشد یا 10 متری، نیروی شناوری ثابت می‌ماند (البته با فرض ثابت بودن چگالی سیال).
وقتی کشتی بار ندارد، وزن کل آن کمتر است. برای ایجاد تعادل و برابر شدن نیروی شناوری با این وزن کمتر، کشتی به حجم کمتری از آب نیاز دارد تا جابه‌جا کند. بنابراین، قسمت کمتری از بدنه در آب فرو رفته و کشتی بالاتر شناور می‌ماند.
بله، هوا یک سیال (گاز) است و اصل ارشمیدس در مورد آن نیز صدق می‌کند. بالن‌های داغ به این دلیل بالا می‌روند که هوای داخل آن‌ها پس از گرم شدن، چگالی کمتری نسبت به هوای سرد اطراف پیدا می‌کند. در نتیجه، نیروی شناوری بر وزن بالن غلبه می‌کند.
در این مقاله آموختیم که یک جسم غوطه‌ور، جسمی است که کاملاً در یک سیال فرو رفته است. رفتار چنین جسمی توسط اصل ارشمیدس و مقایسه‌ی چگالی آن با چگالی سیال تعیین می‌شود. اگر چگالی جسم کمتر باشد، شناور می‌شود و اگر بیشتر باشد، غرق می‌شود. این اصول ساده، پایه‌ی درک بسیاری از پدیده‌های طبیعی و فناوری‌های ساخت بشر، از شناوری کشتی‌ها تا پرواز بالن‌ها، هستند.
پاورقی
۱ جسم غوطه‌ور (Submerged Object): جسمی که به طور کامل در داخل یک سیال (مایع یا گاز) فرو رفته باشد.
۲ نیروی شناوری (Buoyant Force): نیرویرو به بالای که یک سیال به جسم غوطه‌ور در خود وارد می‌کند.
۳ اصل ارشمیدس (Archimedes' Principle): قانون فیزیکی که بزرگی نیروی شناوری را برابر با وزن سیال جابه‌جا شده توسط جسم می‌داند.
۴ چگالی (Density): جرم یک ماده در واحد حجم که معمولاً با واحد kg/m³ یا g/cm³ بیان می‌شود.
