به گزارش خبرنگار ایمنا، قانون ارشمیدس اصلی در فیزیک است که بیان می‌کند، نیروی شناوری وارد بر جسم رو به بالا بوده و با وزن مقدار شاره‌ای که بر اثر فرورفتن جسم جابه‌جا شده برابر است؛ به عنوان مثال اگر ظرفی را پر از آب کنیم و سنگی در آن بیندازیم، مقداری از آب خارج می‌شود که وزن آن برابر با مقدار نیروی شناوری است که از سمت شاره به جسم وارد می‌شود. برای شناخت بیشتر اصل ارشمیدس و بررسی کاربردهای آن با «عرفان تمنده» کارشناس‌ارشد فیزیک پلاسما گفت‌وگویی انجام داده‌ایم که در ادامه می‌خوانید:
اصل ارشمیدس چیست؟
اصل ارشمیدس یا Archimedes' principle که به طور کلی در فیزیک با نیروی شناوری هم ارز محسوب می‌شود، نیرویی را بررسی می‌کند که هنگام فرو رفتن جسمی در یک شاره (مایع یا گاز) از سمت آن به جسم وارد شده و جهت آن همیشه رو به بالا است.
نیروی شناوری چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
برای بررسی و اندازه‌گیری مقدار نیروی شناوری باید بدانیم که این نیرو برابر با مقدار وزن شاره‌ای است که بر اثر فرو رفتن جسمی در آن جابه‌جا شده است؛ درواقع هنگامی که جسمی در آب یا هر شاره دیگری فرو می‌رود، مقداری از شاره جابه‌جا می‌شود یا به طور مثال اگر آب را در نظر بگیریم، سطح آب بالا می‌رود که این مقدار جابه‌جایی وزن مشخصی دارد و برابر است با مقدار نیروی شناوری که این مسئله نه تنها برای مایعات بلکه برای گازها نیز مطرح است.
نیروی شناوری توسط چه کسی مطرح شد؟
نیروی شناوری برای نخستین‌بار توسط «ارشمیدس» دانشمند، ریاضی‌دان و مخترع یونانی مطرح شد. طبق تعریفی که مردم از آزمایش و داستان کشف ارشمیدس ارائه کرده‌اند، این دانشمند یونانی هنگامی که برای حمام در وان آب بوده متوجه کم و زیاد شدن مقدار سطح آب مخزن بر اثر فرو رفتن جسمی در آن شده است که این مسئله موجب کشف نیروی شناوری و مطرح شدن اصل ارشمیدس شد.
طبق عبارتی که ارشمیدس برای تعریف اصل خود در تحقیقاتش استفاده کرده، هر سیالی به جسمی که درون خود (چه به صورت کامل چه جزئی) قرار گرفته است، نیرویی رو به بالا وارد می‌کند که برابر با مقدار جابه‌جایی سیال است؛ این جمله که توسط ارشمیدس و برای تعریف این اصل ارائه شده متعلق به سال‌های ۲۰۰ الی ۳۰۰ پیش از میلاد مسیح یعنی بازه زندگی خود ارشمیدس است.
آیا نیروی شناوری با نیروی گرانش ارتباط دارد؟
بله. درواقع نیروی شناوری که توسط ارشمیدس تعریف و مقدار آن مشخص شد به دلیل اثرات جانبی و نه اصلی نیروی گرانش ایجاد می‌شود؛ در نتیجه می‌توان نیروی گرانش را اصلی برای پایه‌گذاری قانون ارشمیدس دانست.
اصل ارشمیدس چه کاربردی دارد؟
برای بررسی کاربردهای اصل ارشمیدس، ابتدا باید فرض کنیم که جسمی در یک مایع غوطه‌ور است که همین شرایط موجب تجربه کردن نیروی شناوری می‌شود؛ از آنجا که جهت نیروی شناوری به سمت بالا است، بنابراین اگر مقدار این نیرو از وزن جسم بیشتر شود، جسم به سمت بالا می‌رود؛ اما در صورتی که نیروی شناوری از وزن جسم کمتر باشد، جسم به سمت پایین رفته و عملاً غرق می‌شود. به همین خاطر اصل ارشمیدس، جایگاه بسیار مهمی در ابزارآلات مرتبط با مایعات و گازها دارد و در صنعت دریانوردی نیز بسیار مهم و کاربردی است. نیروی شناوری و اصل ارشمیدس مشخص می‌کند که شناورهایی نظیر (قایق، لنج، زیردریایی و کشتی) چگونه و با چه وزنی طراحی شود که در آب غرق نشود یا در صورت نیاز، توزیع وزن و حجم جسم به صورتی باشد که در آب فرو رود؛ بنابراین اصل ارشمیدس در این صنعت بسیار مهم و کاربردی است.
ارتباط اصل ارشمیدس با چگالی چیست؟
چگالی، میانگین نقش بسیار مهم و کلیدی در اصل ارشمیدس دارد. در تعریف و بررسی اصل ارشمیدس شناور ماندن یا نماندن جسمی روی شاره مورد بررسی قرار می‌گیرد که این مسئله با چگالی مرتبط است؛ زیرا اگر چگالی جسمی کمتر از سیال مورد نظر باشد، آن جسم روی شاره شناور می‌ماند، به دلیل اینکه در این شرایط مقدار نیروی شناوری از وزن جسم بیشتر است؛ اما اگر عکس این شرایط رخ دهد و چگالی جسم بیشتر از سیال باشد، جسم در شاره فرو می‌رود و غرق می‌شود؛ بنابراین چگالی میانگین با اصل ارشمیدس در ارتباط است.
چگالی میانگین چه کاربردی دارد؟
غرق شدن یا شناور ماندن کشتی روی آب مرتبط با چگالی است، اما مثال‌های دیگری نیز در طبیعت وجود دارد که به واسطه اصل ارشمیدس و نسبت چگالی میانگین قابل درک است؛ مانند شناور ماندن روغن در آب یا غرق نشدن کوه‌های یخ روی آب که تمام آن‌ها درستی قانون ارشمیدس و نیروی شناوری را تأیید می‌کند.
آیا نیروی شناوری به شکل جسم نیز مربوط است؟
خیر. نیروی شناوری برابر با وزن سیال جابه‌جا شده بر اثر فرو رفتن جسم است که این وزن، هیچ ارتباطی با شکل جسم ندارد و کاملاً مستقل است. نیروی شناوری، رفتار کاملاً منحصر به فردی دارد و تنها از اصل ارشمیدس پیروی می‌کند؛ بنابراین ارتباطی بین شکل جسم و نیروی شناوری وجود ندارد.
آیا اصل ارشمیدس در صنایع دیگری کاربرد دارد؟
عمده‌ترین کاربرد قانون ارشمیدس در صنایع دریایی به خصوص کشتی‌سازی و طراحی زیردریایی است که کمک بسیاری به ناوبری و طراحی شناورها نیز می‌کند، اما این قانون در صنایع دیگری مانند بالن‌سازی و هر مبحث دیگری که مرتبط با شناور شدن جسمی روی شاره است، کاربرد دارد.
نظر شما