ما هي دافعة أرخميدس؟
تعرف دافعة أرخميدس، أو ما يعرف بمبدأ أرخميدس، كقانون فيزيائي قام بإيضاحه العالم الفيزيائي أرخميدس. حيث كان يتناول دراسة قوة الطفو المؤثرة على الأجسام التي تكون مغمورة كلياً أو جزئياً في السوائل أو الغازات.
نص دافعة أرخميدس
تنص دافعة أرخميدس على أن أي جسم مغمور بالكامل أو جزئياً في سائل يتعرض لقوة طفو، أو دافعة تساوي وزن السائل الذي تم إزاحته. على سبيل المثال، عندما توضع كتلة في وعاء مائي، ستتعرض لقوة طفو تعادل وزن السائل الذي أزاحته.
تجربة دافعة أرخميدس في المختبر
قبل الشروع في التجربة، من الضروري معرفة قانون قوة الطفو والذي يُعبر عنه بالمعادلة التالية: FB = ρVg، حيث تشير الرموز (FB) إلى قوة الطفو، و(ρ) إلى كثافة السائل، و(V) إلى حجم السائل المزاح، و(g) هو التسارع الناتج عن الجاذبية. يجب مراعاة أن السوائل تشمل الغاز أيضاً. ستُقيّم تجربة دافعة أرخميدس من خلال قياس قوة الطفو باستخدام أربع طرق مختلفة، ومن ثم تتم مقارنة النتائج لاحقًا.
أدوات التجربة
إليكم قائمة بالأدوات اللازمة لإجراء التجربة:
- مخبار مدرج.
- مقياس كثافة السوائل (Hydrometer).
- ميزان إلكتروني.
- سلسلة.
- كرة معدنية.
- كرة خشبية.
- كأس زجاجي.
الطريقة الأولى لإجراء التجربة: قياس الوزن
تتضمن خطوات الطريقة الأولى ما يلي:
- قياس كتلة الكرة المعدنية وحساب وزنها، وتسجيل النتائج تحت إسم FA air.
- تعليق الكرة المعدنية بواسطة السلسلة ووضع المخبار المدرج على الميزان.
- ملء المخبار المدرج جزئياً بالماء.
- غمر الكرة المعدنية في المخبار مع الحذر بعدم وصول الماء إلى حواف المخبار.
- حساب كتلة الكرة المعدنية وهي تحت الماء، ثم حساب الفرق بين كتلتها في الهواء وكتلتها في الماء، مع العلم بأن:
- FB = FA – Fb.
- تكرار الخطوات السابقة ثم حساب المتوسط.
- تكرار الخطوات باستخدام الكرة الخشبية وحساب الناتج المتوسط.
الطريقة الثانية لإجراء التجربة: حساب الحجم
تشمل خطوات هذه المرحلة من التجربة ما يلي:
- ملء المخبار المدرج جزئياً بالماء وتسجيل المستوى.
- غمر الكرة المعدنية في الماء وأخذ القراءة الخاصة بالحجم.
- إزالة الكرة وتجفيفها ثم تفريغ المخبار المدرج من الماء.
- حساب الكثافة باستخدام المعادلة التالية: ρ = M/V، حيث M هي كتلة الكرة قبل الغمر.
الطريقة الثالثة لإجراء التجربة: حساب قوة الطفو
تشمل هذه المرحلة من التجربة ما يلي:
- قياس ارتفاع الكرة المعدنية وقطرها، ثم حساب الحجم.
- باستخدام الحجم، وتسارع الجاذبية وكثافة الماء، حساب قوة الطفو عن طريق المعادلة: FB = ρVg.
- مقارنة هذه القيم مع نتائج التجارب السابقة.
الطريقة الرابعة لإجراء التجربة: قياس قوة الطفو لجسم يطفو
الخطوات الخاصة بهذه الطريقة تشمل:
- قياس كتلة وحجم الكرة الخشبية.
- ملء المخبار المدرج جزئياً بالماء وتسجيل الحجم.
- غمر الكرة الخشبية بعناية في الماء.
- تسجيل الحجم الجديد بعد الإغراق.
- حساب الفرق بين الحجم الأول والحجم الثاني للحصول على الحجم النهائي.
- حساب وزن الماء المزاح.
- مقارنة قوة الطفو مع وزن الكرة الخشبية.