چرا کشتی روی آب میماند؟ اما سوزن فرو می رود؟!

آیا تاکنون به حرکت کشتی روی آب توجه کرده اید؟ چرا کشتی روی آب میماند؟ چرا یک کشتی فولادی روی آب شناور می‌ماند در حالی که یک میخ آهنی به ته آب می‌رود؟ چرا سوزن در آب فرو می‌رود؟ این بحث جالبی است که حتی در کتاب های درسی مدرسه هم به آن اشاره شده است.

چرا کشتی روی آب میماند؟

روزنامه خراسان نوشت: قضیه کمی بودار است، شما اگر یک سنجاق خیلی کوچک را در آب بیندازید خیلی زود غرق می‎شود و ته آب می‎رود، ولی کشتی های چندطبقه و پر از آدم روی آب شناورند. حتی قایق‎ها هم خیلی راحت روی آب می‎ایستند، اما چطور؟

قوانین فیزیک دست‎های پشت پرده این نمایش عجیب و باورنکردنی طبیعت هستند؛ پدیده‎ای که از وقتی انسان‎ها با آن آشنا شدند توانستند از دل اقیانوس‏های بزرگ بگذرند و به خشکی‏های دور، جا‌هایی که هرگز ندیده‎ بودند، برسند.

چگالی، علت اصلی

چرا کشتی روی آب میماند؟ اما سوزن فرو می رود؟ شناور ماندن اجسام روی آب به چگالی آن جسم‎ها بستگی دارد. چگالی یعنی نسبت جرم جسم به حجم آن (یعنی جرم را بر حجم تقسیم کنیم چگالی به دست می آید). اگر چگالی جسم کمتر از چگالی آب باشد آن شیء فقط تا نقطه ای در آب فرو می‎رود که آب جابه‎ جا شده، هم وزن شیء مدنظر باشد. مثلا اگر یک بطری یک لیتری را در آب فرو ببریم، یک لیتر آب بالا می‎ آید و در سطح آب پخش می‎شود. البته در دریاها، چون سطح آب خیلی وسیع است، یک لیتر آب در این سطح وسیع پخش می‎شود و ارتفاع آن بسیار ناچیز خواهد شد.

نیرویی که برای بالا آوردن آن حجم آب نیاز دارید به اندازه وزن آبِ هم حجم آن است. حالا فرض کنیم ته قضیه را درآوردیم و ماجرا واقعا همین است. درست است که جرم کشتی (یا همان وزنش) خیلی زیاد است، ولی وقتی تقسیم بر حجم بزرگی می‎شود که همان ابعاد عظیم کشتی است، عدد کوچکی به دست می‎آید. تازه یک کشتی فولادی تماما از فولاد تشکیل نشده بلکه بخش زیادی از آن را هوا پر کرده‎ بنابراین جرم یا در این‎جا همان وزن آن‎قدر زیاد نشده است.

درنهایت برای آن‎که بدانیم چه اجسامی در آب فرو می‎روند، فقط کافی است چگالی آن‎ها را بدانیم. برای همین در ساخت کشتی‌ها و قایق‌ها جرم و حجم اهمیت زیادی دارد.

اصل ارشمیدس؛ قانون حرکت کشتی‌ها

به گزارش 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.

بیشتر بخوانید: 

• لحظه به آب انداختن کشتی های غول پیکر + فیلم
• محلول و مخلوط چیست؟ آیا شربت خاکشیر محلول است چرا؟
• عبور دیدنی کشتی غول پیکر از یک کانال باریک + فیلم

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.

داستان کشف ارشمیدس

کانون نوشت: در قرن سوم پیش از میلاد، هایرون، پادشاه شهر سیسیلی سیراکیوز، ارشمیدس را به عنوان ناظر یک پروژه مهندسی با ابعاد بی سابقه انتخاب کرد. هایرون به آن‌ها ماموریت ساخت یک کشتی داد که ۵۰ برابر بزرگتر از یک کشتی جنگی باستانی بود، و به نام شهرشان آن را سیراکیوزیا نامید. هایرون می‌خواست بزرگترین کشتی دنیا را بسازد، و آن را به عنوان هدیه به پادشاه مصر، بطلمیوس پیشکش کند.

اما یک کشتی به بزرگی یک قصر اصلا می‌تواند شناور شود؟

در زمان ارشمیدس، هیچ کس چنین کاری نکرده بود. مثل این بود که بپرسی، «یک کوه می‌تواند پرواز کند؟» شاه هایرون عده زیادی را به حل این مسئله گماشت.

صد‌ها مرد، سال‌ها برای ساخت سیراکوزیا تلاش می‌کردند و آن را از کاج‌های کوه اتنا و طناب‌های کنف اسپانیایی و قیر فرانسوی می‌ساختند. عرشه اصلی، که هشت برج نگهبانی بر آن قرار داشت، قرار نبود با ستون حمایت شود، بلکه تمثال‌های عظیم چوبی اطلس که جهان را بر دوش داشت آن را حمایت می‌کرد. روی دماغه کشتی، منجنیقی عظیم بود که می‌توانست سنگ‌های ۹۰ کیلویی را پرتاب کند.

برای سرگرمی مسافران، کشتی تفرجگاهی گل‌کاری شده، یک استخر سرپوشیده، و یک گرمابه با آب گرم، یک کتابخانه پر از کتاب و مجسمه و یک باشگاه ورزشی داشت؛ و فقط برای اینکه کار ارشمیدس سخت‌تر شود، هایرون تصمیم داشت کشتی را پر از بار کند: ۴۰۰ تن غله، ۱۰٫۰۰۰ شیشه ماهی ترشی، ۷۴ تن آب آشامیدنی، و ۶۰۰ تن پشم. به راحتی بیش از هزار نفر سوار کشتی می‌شدند، که ۶۰۰ نفر آن‌ها سرباز بودند؛ و ۲۰ اسب را هم در اصطبل‌های مجزا اسکان می‌داد.

ساختن چیزی به این ابعاد، برای اینکه فقط در اولین سفرش شناور بماند؟

خوب، بیایید فقط بگوییم که شکست برای ارشمیدس گزینه مناسبی نبود. پس او به پرسش پرداخت: شناور می‌شود؟ شاید روزی در حمام نشسته بود، و فکر می‌کرد چطور یک وان حمام بزرگ می‌تواند شناور شود، و آن هنگام الهام به او روی کرده است. به جسمی که تا اندازه‌ای در یک مایع فرو رفته باشد نیرویی رو به بالا وارد می‌شود که برابر با وزن مایع جابجا شده به وسیله آن جسم است.

به بیان دیگر، اگر سیرکوزیای ۲۰۰۰ تنی دقیقا ۲۰۰۰ تن آب را جابجا کند، درست در مرز شناوری قرار خواهد گرفت. اگر ۴۰۰۰ تن آب را جابجا کند، بدون هیچ مشکلی شناور خواهد ماند. البته اگر تنها ۱۰۰۰ تن آب را جابجا کند، خوب، هایرون زیاد خوشحال نخواهد شد. این قانون شناوری است، و هنوز هم مهندسان به آن قاعده ارشمیدس می‌گویند.

چرا کشتی روی آب میماند به زبان کودکانه

دانستیم چرا کشتی روی آب میماند؟ اما سوزن فرو می رود؟ در ادامه توضیحات ساده تری را بخوانید.

طبق اطلاعات وبسایت گاما، فرو رفتن یک جسم در آب درست مثل پایین رفتن یک کفه ترازو و بالا آمدن کفه دیگر است. وقتی جسمی در آب فرو می‌رود به اندازه حجمش آب را بالا می‌آورد. مثلا اگر یک بطری یک لیتری را در آب فرو ببریم یک لیتر آب بالا می‌آید و در سطح آب پخش می‌شود. البته، چون سطح آب خیلی وسیع است، یک لیتر آب در این سطح وسیع پخش می‌شود و ارتفاع آن بسیار ناچیز خواهد شد.

نیرویی که برای بالا آوردن آن حجم آب نیاز دارید به اندازه وزن آب هم حجم آن است؛ بنابراین وقتی جسمی یک لیتری را به درون آب فرو ببرید، به اندازه بالا آمدن یک لیتر آب انرژی مصرف می‌کنید؛ بنابراین اگر نیروی جاذبه روی جسمی بیشتر از نیروی جاذبه روی آب به همان حجم باشد، آن جسم در آب فرو می‌رود؛ ولی اگر نیروی جاذبه روی جسمی کمتر از نیروی جاذبه روی آن حجمم آب باشد، آن جسم روی آب شناور می‌ماند.

کشف قانون مشهور کشتی ها

این همان قانون مشهوری است که ارشمیدس در حمام کشف کرد. به زبان ساده‌تر هرچیزی که چگال‌تر از آب باشد (جرم حجمی بیشتری داشته اشد) در آب فرو می‌رود. کشتی‌ها هرچقدر هم سنگین باشند، وقتی در آب قرار می‌گیرند، حجم بسیار زیادی دارند همان حجم آب باید به جای آن‌ها بالا بیاید. علت این موضوع هم شکل لگن مانند کشتی هاست.

در واقع کشتی از ماده‌ای چگال ساخته شده؛ ولی آن ماده چگال طوری پخش شده که وقتی در آب قرار بگیرد، عملا حجمی زیاد از آب را به بالا می‌راند؛ نیرویی که به خاطر وزن به کشتی وارد می‌شود، تنها معادل وزن دیواره‌های فلزی کشتی است؛ اما نیرویی که کشتی به آب وارد می‌کند، به اندازه حجمی از آب است که به خاطر فرو رفتن کشتی به سمت بالا آمده و، چون بیشتر حجم کشتی که در آب فرو رفته خالی است (در واقع هواست)

چگالی کلی کشتی بسیار کمتر از چگالی آب خواهد شد و روی آب می‌ماند (مگر اینکه درون کشتی پر از آب شود که در آن صورت مانند سنگریزه غرق می‌شود) اما تمام حجم یک سنگ چگال است ووقتی در آب می‌اندازیمش غرق می‌شود؛ زیرا نیرویی که وزن سنگ به آب وارد می‌کند بیشتر از نیروی مورد نیاز برای جا به جا کردن آب هم حجم سنگ به سمت بالاست.

گردآوری: تابناک جوان