نیروی شناوری[1]: راز شناور ماندن اجسام
از کشف ارشمیدس تا فرمول امروزی
داستان معروف ارشمیدس و فریاد یافتم! (Eureka!) او، نقطه آغاز درک نیروی شناوری است. ارشمیدس دریافت که هر جسمی که در یک سیال[4] (مانند آب یا هوا) غوطهور شود، به اندازه وزن سیال جابجا شده توسط آن جسم، نیروی روبهبالا احساس میکند. این قانون که به نام اصل ارشمیدس شناخته میشود، سنگ بنای تمام محاسبات شناوری است.
این اصل را میتوان به فرمول ریاضی تبدیل کرد:
که در آن:
$F_b$ = نیروی شناوری (برحسب نیوتن[5])
$\rho_{fluid}$ = چگالی سیال (کیلوگرم بر مترمکعب)
$V_{displaced}$ = حجم سیال جابجا شده (مترمکعب)
$g$ = شتاب جاذبه زمین (9.8 m/s²)
سه سرنوشت برای یک جسم در سیال: شناور، معلق یا غرق
سرنوشت نهایی یک جسم در سیال (آب، روغن، هوا) به مقایسه دو نیرو بستگی دارد: نیروی وزن جسم (به سمت پایین) و نیروی شناوری (به سمت بالا). همچنین مفهوم کلیدی چگالی رابطه مستقیمی با این موضوع دارد. جدول زیر این حالتها را به وضوح نشان میدهد:
| شرایط | مقایسه نیروها | مقایسه چگالیها | نتیجه و مثال |
|---|---|---|---|
| شناور شدن |
نیروی شناوری > نیروی وزن
($F_b > W$) |
چگالی جسم < چگالی سیال
($\rho_{object} ) |
جسم بخشی از حجم خود را خارج از سیال نگه میدارد.
مثال: چوب پنبه روی آب |
| تعلیق یا شناوری خنثی |
نیروی شناوری = نیروی وزن
($F_b = W$) |
چگالی جسم = چگالی سیال
($\rho_{object} = \rho_{fluid}$) |
جسم در هر عمقی که قرار داده شود، بدون حرکت بالا یا پایین میماند.
مثال: ماهی با کیسه شنا |
| غرق شدن |
نیروی شناوری < نیروی وزن
($F_b ) |
چگالی جسم > چگالی سیال
($\rho_{object} > \rho_{fluid}$) |
جسم تا رسیدن به کف به پایین میرود.
مثال: سنگ در آب |
نیروی شناوری در خدمت انسان: از کشتیهای غولپیکر تا بالنهای هواشناسی
بشر با درک این نیرو، توانسته است بر محدودیتهای طبیعت غلبه کند. یک تکه فولاد که چگالی آن تقریباً 8 برابر آب است، به راحتی غرق میشود. اما چگونه یک کشتی عظیم فولادی حامل هزاران تن بار روی آب شناور میماند؟ پاسخ در طراحی حجم است. کشتی به گونهای ساخته میشود که شکل آن حجم عظیمی از آب را جابجا کند ($V_{displaced}$ بزرگ). طبق فرمول، این حجم بزرگ، نیروی شناوری بسیار بزرگی تولید میکند که بر وزن کل کشتی (فولاد + بار) غلبه کرده و آن را شناور نگه میدارد.
نیروی شناوری فقط در مایعات عمل نمیکند، بلکه در گازها مثل هوا نیز وجود دارد. یک بالن هوای گرم یا هلیوم پر شده را در نظر بگیرید. هوای داخل بالن، پس از گرم شدن یا با جایگزینی گاز سبکتر (مانند هلیوم)، چگالی کمتری نسبت به هوای سرد اطراف پیدا میکند. این اختلاف چگالی باعث میشود نیروی شناوری وارد بر بالن از وزن آن بیشتر شده و بالا برود. بالنهای هواشناسی از همین اصل برای ارسال ابزارهای اندازهگیری به لایههای بالایی جو استفاده میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] نیروی شناوری (Buoyant Force)
[2] اصل ارشمیدس (Archimedes' Principle)
[3] چگالی (Density): جرم یک ماده در واحد حجم. معمولاً بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب (kg/m³) بیان میشود.
[4] سیال (Fluid): مادهای که بتواند جاری شود و شکل ظرف خود را بگیرد. مایعات و گازها هر دو سیال هستند.
[5] نیوتن (Newton): واحد نیرو در سیستم متریک. نیرویی که به جرم یک کیلوگرم، شتاب یک متر بر مجذور ثانیه میدهد.
[6] دریای مرده (Dead Sea): دریاچهای نمکی با غلظت نمک بسیار بالا بین اردن و فلسطین اشغالی که به دلیل چگالی فوقالعاده زیاد، افراد به راحتی روی آن شناور میمانند.
