الكثافة والطفو
الكثافة: تعبر عن مقدار الكتلة (m) لكل وحدة حجم (V) من المادة.
- تحسب الكثافة باستخدام العلاقة الآتية:
- تقاس الكثافة في النظام الدولي للوحدات بوحدة (kg/m3) ويمكن التعبير عنها بوحدات أخرى مثل (g/cm3).
- تختلف الكثافة من مادة إلى أخرى، وتكون ثابتة للمادة الواحدة، فهي خاصية مميزة للمادة.
- مثال: كثافة الحديد أكبر من كثافة الخشب، لأن الجسيمات المكونة للحديد مختلفة عن الجسيمات المكونة للخشب، فيكون مقدار المادة في حجم معين من الحديد أكبر من مقدار المادة في الحجم نفسه من الخشب
- .
أفكر صفحة 86:يختلفُ ترتيبُ جُسيماتِ المادة في الحالة الصلبة عنها في الحالةِ السائلةِ. أرسمُ شكلينِ يُعبّرانِ عن ترتيبِ جسيماتِ المادة في الحالتين الصلبة والسائلةِ، وأوضْحُ من خلالِهما لماذا تكونُ الموادُّ الصلبةُ عادةً أكيرٌ كثافةً منّ السوائلِ.
- الحالة الصلبة: تكون جسيمات المادة متراصة ومتقاربة جدًا ومنظمة، لذلك تشغل حجمًا أقل.
- الحالة السائلة: تكون الجسيمات أبعد عن بعضها وأقل انتظامًا، لذلك تشغل حجمًا أكبر.
الاستنتاج: تكون المادة الصلبة أكثر كثافة من السائلة؛ لأن الجسيمات في الحالة الصلبة تكون أكثر تقاربًا، فتوجد كتلة أكبر في حجم أقل، وبحسب العلاقة:
- تحدد الكثافة ما إذا كان الجسم سيطفو إذا وضع في سائل معين أو سينغمر.
- كيف نحدد أن الجسم سيطفو أو سينغمرإذا وضع في سائل معين؟
الجواب: الأجسام التي تكون كثافتها أكبر من كثافة السائل تنغمر فيه، والأجسام التي تكون كثافتها أقل من كثافة السائل تطفو على سطحه.
- السوائل المختلفة في الكثافة تترتب فوق بعضها بعضاً وفقاً لكثافاتها.
- مثال: الزيت يطفو فوق سطح الماء، لأن كثافته أقل من كثافة الماء.
فكلما قلَّ الحجم مع ثبات الكتلة زادت الكثافة.
- تقاس كثافة السوائل باستخدام أداة تسمى الهيدروميتر.
- أتحقق صفحة 87: عندما أضع مكعباً من الجليد في كأس فيها ماء يطفو على سطح الماء، فما الذي أستنتجه عن كثافة الجليد؟
الجواب: كثافة الجليد أقل من كثافة الماء.
- قاعدة أرخميدس:
- تنص على أن: " الأجسام المغمورة كلياً أو جزئياً في مائع تتأثر بقوة طفو (FB) تساوي وزن السائل المزاح (Fgf).
- لاحظ أرخميدس أن الجسم المغمور كليا أو جزئيا في سائل يزيح كمية من السائل تكافئ الحيز الذي يشغله في السائل ، فالسائل المزاح حجمه يساوي حجم الجزء المغمور من الجسم في السائل، أما وزن السائل المزاح فيكون مساوياً لقوة الطفو.
أفكرصفحة 89 : قطعتا نقودٍ متماثلتانِ غُمِرتْ إحداهُما في الماءِ والثانيةٌ في الزيتِ، فكانٌ حجمُ السائلِ المُزاحِ متساويًا في الحالتين، لكنَّ وزنِ الماءِ المُواحِ أكبرُ من وزنِ الزيتِ المزاحِ. كيفّ أفشرُ هذا الاختلافَ؟ وفي أيّ السائلينِ تتأثرُ قطعةُ النقودِ بقوةِ طفو أكبرّ؟
الحل :
بما أن قطعتَي النقود متماثلتان وغُمِرتا بالكامل، فإنهما لها حجمًا متساويًا من السائل. لكن كثافة الماء أكبر من كثافة الزيت؛ لذلك تكون كتلة ووزن الماء المزاح أكبر من كتلة ووزن الزيت المزاح. وبحسب مبدأ أرخميدس، فإن قوة الطفو تساوي وزن السائل المزاح؛ لذلك: تتأثر قطعة النقود بقوة طفو أكبر في الماء؛ لأن وزن الماء المزاح أكبر من وزن الزيت المزاح.
- العلاقة بين قوة الطفو والوزن للأجسام المغمورة في سائل :
- عند وضع أجسام من مواد مختلفة في السائل نفسه وتركها حرة، فإن العلاقة بين قوة الطفو ووزن الجسم تحدد الموضع الذي يستقر عنده الجسم داخل السائل.
- يمكن تصنيف سلوك الأجسام عند وضعها في سائل إلى الحالات الآتية:
- جسم كثافته أكبر من كثافة السائل: يهبط إلى الأسفل ليستقر في القاع، تكون قوة الطفو أقل من الوزن.
- جسم كثافته مساوية لكثافة السائل: يبقى معلقاً في السائل، تكون قوة الطفو مساوية للوزن.
- جسم كثافته أقل من كثافة السائل: يستقر في أعلى السائل (يطفو) ، على أن يكون جزء من الجسم مغموراً في السائل، تكون قوة الطفو مساوية للوزن.
- تطبيقات على عملية الطفو:
- السفينة التي تطفو على سطح الماء:
تتأثر بقوتين رأسيتين هما: الوزن للأسفل وقوة الطفو لأعلى، ويكونا متساويتين في المقدار لأن السفينة متزنة، وهذا يعني أن وزن الماء الذي تزيحه السفينة يساوي وزنها.
- بالونات الطقس: تنشأ قوة الطفو أيضاً في الغازات، يملأ بالون الطقس بغاز الهيليوم وهو غاز كثافته أقل من كثافة الهواء، فيتأثر بقوة طفو إلى الأعلى أكبر من وزنه، فيرتفع البالون إلى طبقات الجو العليا، ويحمل بالأجهزة التي تعمل على جمع المعلومات عن حالة الطقس، ودرجة التلوث وغيرهما.
- الخلايا الشمسية الطافية: تكنولوجيا حديثة تعتمد على بناء أنظمة خلايا شمسية تطفو على سطح المسطحات المائية، مثل البحيرات الطبيعية أو الصناعية.
مثال: جسمان (أ،ب) متساويان في الحجم ومن مادتين مختلفتين، يطفوان على سطح الماء كما في الشكل.
أ) أقارن بين حجم السائل المزاح لكل من الجسمين.
ب) أحسب كثافة الجسمين، وأقارن كثافة كل جسم بكثافة الماء (1 g/cm3).
ج) أستنتج كيف يتغير حجم الجزء المغمور من الجسم مع تغير كثافة الجسم.
- أتحقق صفحة 92: ما العلاقة بين قوة الطفو والوزن للأجسام الطافية على سطح السائل؟
الجواب: في الجسم الطافي تكون قوة الطفو مساوية لوزن الجسم.
