ما هي الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء؟
ما هي الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء؟ هذا السؤال يهتم به الكثير من المهتمين بعلم الفيزياء، وقد يحتاج إلى معرفته عدد كبير من الطلاب الذين يدرسون الفيزياء، خاصًة أنه من الممكن أن يتعرضوا له في الامتحانات الدراسية.
محتويات المقال
ما هي الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء؟
- قد يسأل الكثير حول ما هي الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء، والتي تعود إلى أن الكثافة الخاصة بالإبرة المعدنية، تعتبر أعلى من الكثافة الخاصة بالماء نفسه.
- ولذلك نجد أنه إذا قمنا بوضع هذه الإبرة بطريقة أفقية على الماء تقوم الإبرة بالطفو على سطح الماء، بل ومن الممكن أن يستمر هذا الطفو إلى الأبد، لتكون الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء هي التوتر السطحي.
- وتظهر خاصية التوتر السطحي بسبب الاختلاف الذي يتعلق بكافة خصائص الفيزياء لباقي الأسطح الخاصة بالمواد عمومًا، يقوم هذه الخاصية بالعمل عن طريق التقارب الذي يحدث في جزيئات سطح الماء.
نقدم إليك من هنا: من أعظم علماء الرياضيات ونظريات أرخميدس واختراعاته المختلفة
الميزة التي تشرح تعويم الإبرة فوق الماء
- هذا التقارب الذي يحدث ينتج عنه ترابط قوي بين جزيئات الماء، وبهذه الطريقة تكون الطاقة الموجودة في سطح الماء، أكبر من الطاقة التي توجد في الماء نفسه من الداخل.
- هذا التماسك والقوة التي تنتج عنه في سطح الماء، تجعل من الغشاء المتكون على سطح الماء مقاوم جيد للتمزق، ويكون هذا هو السبب في حدوث الطفو لأي جسم معدني مهما كان حجمه.
- وبعد أن تم التعرف على ما هي الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء في العالم كله ودراستها، أصبح من السهل صناعة السفن والغواصات والمدن المائية الموجودة في الوقت الحالي بالاعتماد على التوتر السطحي.
نرشح إليك من هنا: بحث عن عالم عربي مشهور
التوتر السطحي
- إن حدوث ظاهرة التوتر السطحي لكل الجزيئات في سطح الماء، هي السبب الرئيسي في جعل سطح الماء يبدو مرنًا ويظهر كسطح قوي متماسك، والتقارب الذي يحدث في هذه الخاصية يأتي بفعل قوة الجذب.
- قوة الجذب التي تؤثر على تقارب جزيئات سطح الماء تأتي إليها من الأسفل فقط، على عكس قوة الجذب التي تأتي لجزيئات أسفل الماء من كل الجوانب وبشكل مساوي فيكون تماسكها أقل وأضعف.
- التوتر السطحي يتم قياسه بشكل علمي عن طريقة حدة نيوتن/ متر، وهي المؤثرة بشكل كبير على وحدات الطول من سطح الماء، ولكن مع الاتجاه العمودي مع القوة.
- هذه الظاهرة تكون بارزة بشكل كبير وقوي في الماء نتيجة للروابط الهيدروجينية، التي تكون موجودة بشكل دائم في الجزيئات الموجودة داخل الماء، والتي تعمل على ظهور الفقاعات والسطح الهلالي والقطرات المائية.
- كذلك فالتوتر السطحي هو الذي يعمل على ارتفاع كميات المياه التي يحتاج إليها النبات من خلال أنابيب النباتات الشعرية، وهي المسؤولة أيضًا عن بلل العديد من المواد وعدم بلل المواد الباقية.
1- تأثير ظاهرة التوتر السطحي بالشوائب
- إن ظاهرة التوتر السطحي التي قد تحدث بشكل دائم في سطح الماء، يتأثر بشكل كبير بالشوائب التي قد توجد على السطح، خاصًة الشوائب التي لا تقبل الذوبان في الماء.
- فإذا وجدت بعض من الشوائب التي لا تذوب في الماء على السطح، قد ينتج إما قلة أو زيادة في معدل التوتر السطحي للماء، وأكبر مثال على ذلك إضافة الكافور كأحد الشوائب لسطح الماء.
- أما فيما يخص الشوائب التي تقبل الذوبان في الماء، فإنها لا تعمل في تغيير أي تأثير للسطح بهذه الشوائب فإنها لا تقل ولا تزيد، وأكبر مثال على ذلك إضافة الملح كأحد الشوائب لسطح الماء.
2- تأثير ظاهرة التوتر السطحي بدرجة الحرارة
- تعتبر درجة الحرارة من أهم العوامل الخارجية التي قد تؤثر بشكل سلبي على خاصية التور السطحي، حيث أنها عمل على التقليل من أي قوى تعمل على جذب وترابط الجزيئات في وسط الماء.
- يحدث هذا التأثير السلبي لظاهرة التوتر السطحي عن طريق زيادة درجة الحرارة في الماء، فكلما كانت درجة الحرارة عالية كلما كان التوتر السطحي أقل مما يجب أن يكون عليه.
3- أمثلة فيزيائية على التوتر السطحي
- من أشهر الأمثلة الفيزيائية الخاصة بالتوتر السطحي أن نجد الماء في المطر أو قطرات الندي يسقط على شكل قطرة شبه كروية، ولا يسقط أبدًا على شكل تيارات عمودية الشكل ويؤثر على ذلك جاذبية الأرض.
- كذلك من الأمثلة الفيزيائية الشهيرة التي تدل على التوتر السطحي، هي طفو مشبك الورق فوق سطح الماء، فبرغم الكثافة الكبيرة إلا أن وتر السطح يؤثر على الجاذبية فيجعله يطفو.
- أيضًا من أهم الأمثلة الفيزيائية على خاصية التوتر السطحي، هي طفو بعض الحشرات على سطح ماء، وأكبر مثال عليها هو حشرة الجيريدي ذات الأرجل التي تساعدها في ذلك لمنحها خفة كبيرة في الحركة.
مبدأ أرخميدس ونظرية الطفو
- لقد قام عالم الفيزياء الشهير أرخميدس باكتشاف نظرية الطفو والتي أطلق عليها علميًا نظرية أرخميدس، وتم هذا الاكتشاف عن طريق قصة حدث لأرخميدس مع ملك البلد التي يعيش فيها.
- ذلك حين رغب الملك في أن يتم صناعة تاج خالص من الذهب وبعد صناعته أعطاه التاجر للملك، وحين شعر الملك بأن هذا التاج مغشوش طلب من أرخميدس أن يحضر إليه ليكشف له الخدعة.
- ولأن التحليل الكيميائي لم يكن متعارف عليه في هذا الوقت الزمني لم يعرف أرخميدس الفرق سريعًا، وأثناء استحمام أرخميدس وجد أن الماء تدفع قدمه لأن تطفوا على السطح.
- فقام بوزن التاج وأحضر نفس قيمة الوزن من الذهب الخالص، ثم قام بوضع كل منهم في الماء، فوجد أن كتلة السائل المزاحة من القطعتين مختلفة عن بعضها البعض لذلك فإن التاج فعلًا ليس من الذهب الخالص كما شك الملك.
كما نقدم لك: ما هي الخوارزميات في الرياضيات؟
نتيجة مبدأ أرخميدس ونظرية الطفو
- إن النتيجة العلمية التي وصل لها أرخميدس وعرفت بشكل علمي بنظرية أرخميدس، هي أن أي جسم يوضع في الماء ولا يذوب أو يتفاعل مع الماء ينتج منها دفعة تتساوى مع وزن السائل الذي يقوم الجسم بإزالته.
- بالفعل كان هذا القانون والمبدأ الذي توصل إليه أرخميدس هو الأساس لكافة الاختراعات المتعلقة بالماء، سواء السفن أو الغواصات أو المدن البحرية العائمة الموجودة حاليًا.
- التي جعلتهم يفكرون بشكل علمي في شروط الطفو الخاصة بالسفن سواء كانت خشبية أو معدنية، التي تعتمد على حجمها وشكلها والكميات الموجودة تحت هذه المركبات من هواء.
- كمية الهواء التي يجب أن تكون موجودة بين سطح الماء والمركب المعدني أو الخشبي، تضاف إلى كثافة السفينة نفسها فيجعل من كثافتها أقل من الكثافة الخاصة بالماء نفسه.
- بهذه الطريقة يكون تاجر الذهب الذي غش الملك وأرخميدس الذي كشف غشه وقت استحمامه، هم المساعدين في اكتشاف الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء، والتي تعرف علميًا بخاصية التوتر السطحي.
لقد تعرفنا معكم في هذا المقال على ما هي الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء، والتي عرفت علميًا بخاصية توتر الماء السطحي الفيزيائية، والتي كانت سبب رئيسي في الكثير من الاختراعات التي أصبحت موجودة في كل العالم