أثناء السباحة أو بينما جسمك مغمورٌ تماماً بالماء ، هل شعرت كيف أنك خفيف الوزن بشكل مختلف عن المعتاد ؟
من المظاهر الشائعة أن الأجسام تبدو أخف وزنًا في الماء ! إن لم تكن معتاداً على هذا الشعور ، جرب أن تغمر يدك في دلوٍ من الماء لتشعر بالأمر على وجه السرعة ..
ماذا يُقصد بالوزن ؟ ولماذا تصبح خفيف الوزن في الماء ؟
الوزن ليس مجرد رقم على ميزان ؛ بل هو مقياس لمدى قوة الجاذبية في جذب الكتلة.
شاهدنا جميعاً أفلاماً لأشخاص يقفزون على القمر أو كيف يركلون صخورًا على القمر بخفة كبيرة دون بذل جهد أو عناء كما لو كانوا على الأرض !
يشير ذلك بوضوح إلى أن قيمة الوزن يمكن أن تتغير، حتى إن ظلت الكتلة ثابتة. بالحالة السابقة تتغير قيمة ثابت الجاذبية، وبالتالي يتغير وزن الجسم.
مع ذلك، عند الحديث عن السباحة ، من الصعب ضرب مثال عن القمر! فشعورك بأنك خفيف الوزن أثناء السباحة يحدث لأسباب مختلفة عن الخفة التي يشعر بها رواد الفضاء على القمر !
هناك قوة تعمل ضد الجاذبية عند غمر الجسم في الماء، وهو ما يجعلنا نشعر بأننا أخف وزنًا. قوة الطفو هي هذه القوة الصاعدة التي تعمل ضد الجاذبية.
بغض النظر عن مدى معرفتك بقوة الطفو، إلا أن للتفسير علاقة وثيقة بمبدأ أرخميدس الذي ربما سمعت عنه من قبل!
قصة مبدأ أخميدس
تكمن أصول مبدأ أرخميدس في قصة حاكم قديم أمر صائغه بصناعة تاج ذهبي. صنع الصائغ التاج، كما أمر الملك، لكن الملك كان يشك في نقاء الذهب المستخدم في التاج. لم تكن هناك طرق للتحقق من هذه النقاوة في ذلك الوقت.
لذلك، كلّف الملك عالمًا محليًا وهو العالِم أرخميدس، بإيجاد حل للمشكلة.
قرر أرخميدس النظر في هذه المسألة. لكن لاحقًا، بينما كان يدخل حوض الاستحمام، لاحظ أن الماء انسكب من الحوض، واكتشف أن كمية هذه المياه تتناسب مع حجم الجسم المغمور.
اكتشف العالِم أنه يمكنه استخدام هذه الحقيقة لمقارنة التاج بكمية من الذهب من نفس الوزن. ومن ثم، يمكنه معرفة ما إن كان الذهب نقيًا أم لا.
الطفو والوزن الظاهر
ينص مبدأ أرخميدس على أن قوة الطفو الصاعد التي تمارَس على جسمٍ مغمور جزئيًا أو كليًا تساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم. رياضيًا، هذا هو ناتج الكثافة، وحجم السائل المُزاح، وقيمة ثابت الجاذبية.
لكن لا يزال هناك سؤال واحد، لماذا هناك قوة صاعدة مطلقة؟ قد يبدو السؤال علميًا زيادة عن اللزوم ولا يهمك معرفة إجابته، لكنه أساس حل معضلتنا الأساسية في المقال!
لفهم ذلك، دعنا نتعمق قليلًا في إحصائيات الموائع. يختلف الضغط في المائع خطيًا باختلاف العمق. هذا يعني أن قوة الضغط المؤثرة على قمة الجسم المغمور هي في الواقع أقل من قوة الضغط المؤثرة في قاع الجسم.
بالتالي، فإن القوى غير متوازنة، ونحصل على قوة صافية تعمل في الاتجاه الصعودي.
الوزن الظاهر
بعدما قدمنا ما يكفي من النظريات العلمية، جاء الوقت لتفسير سؤالنا الأساسي هنا ، وهو سبب شعورك بأنك خفيف الوزن في الماء !
عندما يغرق الجسم في سائل، تعمل قوة الطفو في الاتجاه المعاكس للوزن. ما نشعر به هو نتيجة هاتين القوتين، وهي قوة طفو مطروحة من الوزن الفعلي، وتساوي الوزن الظاهري.
هذه القوة هي ذاتها التي تجعل السفن تطفو على سطح البحار والمحيطات !
باختصار، قوة الطفو هي السبب الرئيسي في ذلك، والتي تعمل عندما يتم غمر أجسامنا في الماء، فتجعل الجسم ينسحب للأعلى ونشعر هنا بأننا أخف وزنًا.
من قال أن أعظم الأفكار تأتي أثناء الاستحمام، لم يكذب إطلاقاً !