قانون ارشمیدس - بخش دوم

چگالی گازها خیلی کمتر از آب است. بنابراین حباب های گاز همیشه به سطح آب حرکت می کنند. شاید کمترین چگالی مربوط به خود جهان باشد که حدود ۱۰ به توان ۳۰- گرم بر سانتی متر مکعب تخمین زده می شود. برای دانسیته های بالا باید به سراغ هسته اتم یا ستاره های نوترونی برویم که حدود دو برابر ۱۰ به توان ۱۴ گرم بر سانتی متر مکعب است. آیا دانسیته بیشتر از این نیز در جهان وجود دارد؟

نکته اینجاست که فقط نوع ماده، تعیین کننده شناوری یا غرق شدن در آب نیست، بلکه شکل اجسام نیز کاملا مهم است. آهن در آب فرو می رود، اما اگر آن را به صورت یک قایق حلبی گونه نازک در آوریم، بر روی آب شناور می ماند(چرا؟). چگالی بدن آدمی که بیش از ۶۰ درصد آن را آب تشکیل شده ، خیلی نزدیک به آب است. بنابراین آدمی به زحمت در آب شناور می ماند. البته وجود املاح معدنی در آبها باعث افزایش چگالی آن و سهولت شناوری انسان می شود. افراد چاق نیز به خاطر چربی بیشتر ، راحت تر شناور می شوند. چگالی آب دریاها حدود ۱٫۰۲۵ است که برای شناوری از آب شیرین مناسب تر است. آب دریاچه های پر نمک مانند ارومیه از این نیز چگال تر است، به طوریکه شناوری در آن نیاز به هیچگونه تلاشی ندارد. البته با همین روند خشکی دریاچه، چگالی آن به زودی با سطح یک شوره زار برابر خواهد شد!

چه ارتباطی میان پرواز بالونها و قانون ارشمیدس وجود دارد؟ اگر چوب پنبه ای را زیر آب ببریم و آن را رها کنیم به سوی سطح آب بالا می آید. چرا؟ چون نیروی وارده از سمت آب از وزن چوب پنبه بیشتر است. اگر چوب پنبه قدری بزگ باشد، می تواند قلوه سنگی را که به آن بسته شده را نیز به سطح آب بیاورد. حتما متوجه شده اید که این چوب پنبه شباهت زیادی به بالون و قلوه سنگ، شبیه سرنشینان آن است. بالونها معمولا شبیه یک گلابی خیلی حجیم ساخته می شوند. با توجه به اینکه چگالی اتمسفر ( کنار دریا) حدود ۰٫۰۰۱۳ گرم بر سانتی متر مکعب است، بنابراین لازم است که درون محفظه بالون با گاز سبک تری مانند هلیوم یا هیدروژن پر شود تا به سمت بالا پرواز کند. البته این گازها گران بوده و مشکل گاز بندی بالون نیز وجود دارد. راه حل بهتر سبک کردن خود هواست! چگونه؟

توسط گرم کردن هوای درون بالون! طبعا هنگامی که دمای هوا به اندازه کافی گرم شود، بالون پرواز می کند و به حدی بالا می رود تا اینکه در ارتفاع بالا به خاطر کم شدن چگالی هوا شناور می شود. البته با استفاده از یک فن یا خود باد می توان به صورت افقی نیز حرکت کرد. حتما حدس زده اید که چگالی کمتر هوای گرم باعث صعود آن شده و جای آن را هوای سرد می گیرد. همین موضوع سبب تولید باد و جابجایی ابرها در سطح زمین می شود. از اصول دانسیته در زیر دریائیها نیز استفاده می شود. این ماشینها برای فرو رفتن در آب محفظه های ویژه ای را از آب پر می کنند، اما برای صعود به سطح آب این محفظه ها را با فشار تخلیه کرده و باهوا پر می کنند.

حتما می دانید که یخ از آب سبک تر بوده و بر روی آب شناور می ماند. اکنون فرض کنید که یک تکه یخ را درون لیوان می اندازیم و آن را لبالب با آب پر می کنیم. به نظر شما پس از ذوب کامل یخ، آیا ارتفاع آب کم شده، لبریز می شود یا ثابت باقی می ماند؟ پاسخ بر طبق قانون ارشمیدس این است که ارتفاع آب ثابت می ماند. آیا می توانید با معادلات ریاضی آن را ثابت کنید؟ اکنون به این پرسش توجه کنید : دو قطعه را در نظر بگیرید که هر دو دقیقا یک کیلو گرم جرم دارند، اما یکی از جنس چوب پنبه است و دیگری آهن. اگر این دو قطعه را در دو کفه یک ترازوی شاهین دار خیلی دقیق بگذاریم، آیا دو کفه دقیقا در یک راستا قرار می گیرند یا اینکه یک قطعه را سنگین تر نشان خواهد داد؟ (لطفا قبل از ادامه خواندن کمی فکر کنید)

آن دورانی که از وایبر و اینتر نت و ... خبری نبود، بچه ها که دور هم جمع می شدند، به طرح معما ها علاقه زیادی نشان می دادند. مثلا اگر بزرگتری می پرسید یک کیلو آهن سنگین تر است یا یک کیلو پنبه؟ بیشتر بچه ها بلافاصله می گفتند یک کیلو آهن! به تدریج برخی متوجه شده و همگی می خندیدند. این بار که مثلا من تاکید می کردم که واقعا یک کیلو آهن سنگین تر است، بزرگترها نیز می خندیدند! ابتدا لازم است تفاوت میان جرم و وزن را یاد آوری کنیم. به صورت ساده ، جرم فیزیکی، مقدار ماده یک جسم است و با واحد اصلی کیلوگرم ( در دستگاه SI یا MKS ) بیان می شود. اما برخلاف محاوره عمومی ، وزن از جنس نیرو است و با واحد فرعی نیوتن مشخص می شود. در واقع اجسام به خاطر نیروی گرانش دارای وزن هستند و در غیاب گرانش، وزنی وجود ندارد، درحالیکه جرم اجسام، ارتباطی به حضور و غیاب گرانش ندارد.(پس چرا استفاده نادرست از تعریف وزن با واحد کیلو گرم در کاربردهای روزمره مشکلی ایجاد نمی کند؟)

در جواب به پرسش اصلی باید بگوییم که ترازوی شاهین دار یک کیلو گرم آهن را سنگین تر نشان می دهد! چون یک کیلو چوب پنبه حجیم تر بوده و طبق قانون ارشمیدس متحمل کاهش وزن بیشتری در هوا می شود! طبعا اگر این آزمایش در خلا و بدون حضور هوا انجام شود، تفاوتی در وزن هر دو که ۹٫۸ نیوتن است، وجود نخواهد داشت.
اگر تصور می کنید که قانون ارشمیدس را فهمیده اید، اکنون به این پرسش پاسخ دهید: یک حباب شیشه ای پر از هوا را در نظر بگیرید که مگسی درون آن حبس شده است. این ظرف را بر روی یک ترازوی خیلی حساس می گذاریم. آیا هنگامیکه این مگس بر روی کف حباب نشسته، با زمانیکه در فضای حباب پرواز می کند، اختلافی در وزن ظرف دیده می شود؟ برای زمانیکه مگس از پرواز خسته شده و در حال سقوط به ته ظرف است چطور؟

اینکه مگس در ته ظرف نشسته باشد یا در حال پرواز و حتی اگر معلق و در حال سقوط باشد، تفاوتی در وزن ظرف مشاهده نمی شود. زمانیکه مگس معلق یا در حال پرواز است، نیروی وزنش توسط مولکول های هوا به ظرف و در نتیجه ترازو منتقل می شود. به عبارت دیگر نیرویی که هوا صرف معلق نگه داشتن مگس می کند، در خلاف جهت به ظرف و سپس ترازو منتقل می شود که البته دقیقا با وزن مگس برابر است. ( چرا این نیرو با وزن مگس برابر است؟) مولکول های هوا نیز همچون مگس، اما با سرعت بسیار بیشتر درون ظرف در حال پروازند و به همین صورتی که گفته شد، وزن خود را به ترازو منتقل می کنند. اکنون به یک پرسش خیلی مهم و تکنیکی می رسیم : اگر درون ظرف تنها یک مولکول از گازهای هوا وجود داشته باشد، آیا وزن آن به ترازو منتقل می شود؟ اگر جوابتان مثبت است، بگویید چگونه؟ این پرسش واقعا ارزش تفکر و بحث را دارد.

نویسنده: احمد مصدر / سایت علمی بیگ بنگ

منابع بیشتر: Archimedes, helpwithcooking , wood-database

sciencekids , youtube , Orders of magnitude density

فیزیک برای سرگرمی ، پرلمان یاکوف ، ترجمه احسان قوام زاده

قانون ارشمیدس - بخش اول

نقل از بیگ بنگ

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات