الخاصية التي تحدد إمكانية انغمار جسم صلب في سائل

ما هي الخاصية التي تحدد إمكانية انغمار جسم صلب في سائل؟ وما هي العوامل المؤثرة عليها؟ يوجد قسم خاص في العلوم الطبيعية مثل الفيزياء والكيمياء يهتم بدراسة كافة أنواع السوائل والعمليات المؤثرة عليها، ومن ضمنها عملية انغمار جسم صلب في سائل.

انغمار جسم صلب في سائل

تعتبر خاصية تحديد عملية انغمار الأجسام الصلبة في السوائل من أبرز الخواص الفيزيائية التي تتميز بها المواد، وجاءت الإجابة على سؤال ما الخاصية التي تحدد إمكانية انغمار جسم صلب في سائل في إنها الكثافة.

إن الكثافة واحدة من أهم الخصائص الفيزيائية التي تُعبر عن التناسب بين الكتلة والحجم، فيمكن من خلال خاصية الكثافة أن تطفو المواد على أسطح السوائل، ومواد أخرى يمكن أن تنغمر فيها.

• في حالة أن الجسم الصلب أعلى في الكثافة من المادة السائلة، فإن الجسم الصلب يبدأ في الانغمار في السائل.
• أما إذا كانت كثافة المادة السائلة أعلى من كثافة الجسم الصلب، فهذا يؤدي إلى طفو الجسم الصلب على سطح السائل.

تتغير كثافة المواد في الغالب بناءً على الحالة الفيزيائية للمادة، فتكون بطبيعة الحال المواد الغازية أقل كثافة، وتليها المواد السائلة، وأخيرًا تكون المواد الصلبة، فهي الأكثر كثافة.

يرجع ذلك إلى تزاحم عدد الجزيئات في وحدة الحجم الواحدة، لكن السوائل عدد جزيئاتها في تزاحم أقل ويُمكن أن تتحرك بسهولة، وفي الحالة الغازية تكون جزيئات الغاز متباعدة تمامًا عن بعضها، فتكون لها حرية كاملة للحركة.

لا يفوتك أيضًا: تقاس الكثافة بوحدة ماذا؟ وما العوامل التي تؤثر على الكثافة

وحدات قياس الكثافة

تختلف وحدات قياس الكثافة طبقًا لحالة المواد المراد حساب كثافتها، ونوع النظام المستخدم، فعلى سبيل المثال، تعتبر وحدة قياس الكثافة طبقًا للنظام المتري هي جرام لكل سنتيمتر مكعب، وكجم لكل متر مكعب.

تختلف هذه الوحدات طبقًا لاختلاف الوحدات الحجمية أيضًا، فقد تكون وحدة الحجم متر مكعب، أو ميليلتر مكعب أو غيرها.

يوجد الكثير من المواد ذات الكثافة العالية مثل الحديد والبلاتين، وتُستخدم كمقياس لمعايرة المواد الأخرى لحساب الكثافة، كما هناك بعض المواد الأخرى التي تستخدم كثافتها كتطبيقات علمية، مثل:

المادة	كثافتها
الأرض	5.51 جرام / سنتيمتر مكعب
الماء	1 جرام / سنتيمتر مكعب
الهواء	1.2 كيلوجرام/ متر مكعب

يمكن حساب كثافة المادة من خلال قسمة الكتلة على الحجم، وتكون الصيغة الحسابية للمعادلة: ρ = m / v

العوامل المؤثرة على الكثافة

الكثافة هي الخاصية التي تحدد إمكانية انغمار جسم صلب في سائل ومنها أدركنا أنها تعتمد على الحجم والكتلة، وعليه فإنها تتغير بتغير حجم المادة أو كتلتها، ولكن يوجد بعض العوامل الأخرى تؤثر بشكل مباشر على الكثافة.

• الضغط: جزيئات المادة تتقارب من بعضها بشدة كُلما زاد الضغط الجوي عليها، وعليه فإن الحجم يقل وبما أن الحجم يتناسب مع الكثافة عكسيًا، فإنه عندما يزيد الضغط كلما زادت كثافة الجسم المضغوط عليه.
• الحرارة: في حالة تسخين أحد الأجسام، فإن حرارته تزيد ومن ثم تُحرك جميع جزيئاته وتباعدها عن بعضها، وعليه فإن الحجم يزداد، وتقل الكثافة.

لا يفوتك أيضًا: ممانعة السائل للجريان أو الانسياب

أرشميدس وقانون الطفو

قام أرشميدس بشرح الخاصية التي تحدد إمكانية انغمار جسم صلب في سائل بالتفصيل، حيث إنه من أبرز العلماء الذين درسوا الكثافة عن كثب، وتعرفوا على قوانين الطفو المختلفة، ووضع قانون الطفو:

“إن مقدار قوة الطفو المؤثرة على جسم مغمور جزئيًا أو كليًا في سائل تساوي وزن السائل الذي يزيحه الجسم عند غمره”.

يوضح قانون أرشميدس التناسب بين قوة الطفو والسائل الذي تم إزاحتهُ للجسم المغمور، فعند غمر أحد الأجسام الصلبة في مادة سائلة، فإن السائل سيعكس اتجاه عمر الجسم، حتى تتساوى الجاذبية الأرضية مع القوة المؤثرة على السائل.

فقد يطفو لوح من الألومنيوم على سطح سائل كالماء، بالرغم من أن كثافته تكون أعلى من كثافة الماء، ولكن يحدث الطفو بسبب أن الكتلة تم توزيعها على مساحة كبيرة من السطح.

لكن إذا تم لف هذا اللوح على هيئة كرة من الألومنيوم فإن كتلته ستتركز في مكانٍ واحد، ومن ثم سينغمر في الماء.

من الممكن ملاحظة الفرق في الكثافة بين الماء والزيت عند خلطهم، فنجد من المستحيل أن يختلط الزيت بالماء، والزيت يطفو على السطح لأن كثافته أقل بكثير من كثافة الماء، فتساوي 0.93 جرام لكل سنتيمتر مكعب بينما الماء 1

أبرز تطبيقات قانون أرشميدس

هناك الكثير من التطبيقات العملية التي اعتمدت على نظرية أرشميدس للطفو، وتم استخدام الكثافة بما أنها الخاصية التي تحدد إمكانية انغمار جسم صلب في سائل.

• السفن: عندما تطفو السفن على الماء فإن وزنها يتساوى مع وزن الماء الذي تمت إزاحته، فتكون الكتلة موزعة بشكل متساوِ على مساحة سطح الماء.
• الغواصات: فكرة عمل الغواصات تعتمد على قانون الطفو، فتحتوي على خزان خاص، يعمل على تخزين الماء فيه وذلك للإبقاء على قوة الطفو أقل من كتلة الغواصة، ثم تثبت الغواصة تحت الماء.
• مقياس كثافة السوائل: يحتوي المقياس على عدد من كرات الرصاص تعمل على الطفو بشكل رأسي على السوائل، وكلما قل هذا المقياس فهذا يعني أن الكثافة قد انخفضت.

كما يتم اختبار السوائل المختلفة في أماكن صيانة السيارات، مثل الزيت ناقل الحركة، فيتم صب هذا الزيت في جهاز الهيدروميتر، والذي يحتوي على مواد قياسية معروفة الكثافة، ومنها تُقارن بكثافة السوائل المختلفة.

لا يفوتك أيضًا: تكون الجسيمات في الحالة الصلبة للمادة

ما هي الكثافة النوعية؟

يرتبط مفهوم الكثافة النوعية بشكل مباشر بمفهوم الكثافة التقليدي، ويطلق عليه أحيانًا الكثافة النسبية، فهي النسبة بين كثافة المادة إلى كثافة الماء.

فمتى تكون الكثافة النوعية لأحد الأجسام أقل من واحد، فإن هذه المادة سوف تطفو على سطح الماء، أما إذا كانت أكبر من قيمة الواحد الصحيح فإن المادة سوف تنغمر.

اهتم علم الفيزياء بدراسة الخواص الفيزيائية المميزة للمادة، ومن أهم هذه الخصائص هي الكثافة، والتي تعتبر حجر أساس طفو السفن على سطح الماء.