ما الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء

تحرير: عمرو في 22 أبريل 2023

ما الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء هو سؤال يتواجد في باب الفيزياء ويتعرض له الطلاب كثيرًا في الامتحانات النهائية والنصف نهائية، فعبر تلك الخاصية ظهرت صناعات القوارب والسفن ثم الغواصات، بالإضافة إلى المنشآت التي تم بنائها حديثًا فوق الماء، واستطاعوا أيضًا من خلال تلك الخاصية تحديد سمات وكثافة الأراضي الساحلية.

من خلال موقع زيادة سنقوم بالإجابة على سؤالنا ما الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء، وكافة التفاصيل عن تلك الخاصية.

ما الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء

تُعد كثافة الإبرة المعدنية أعلى من كثافة الماء فعند وضع الإبرة بشكل أفقي وبحذر شديد على سطح الماء، تطفو الإبرة على سطح الماء ويكون ذلك بفعل خاصية التوتر السطحي الذي من الممكن أن يجعلها تطفو إلى الأبد.

تختلف الخصائص الفيزيائية لأسطح المواد عن المادة ذاتها بشكل عام، فيظهر ذلك بشدة من خلال خاصية التوتر السطحي للماء حيث تتقارب جزيئات الماء الموجودة في السطح، فتُحدث تماسك عالي بين روابط جزيئتها وبالتالي يُصبح لدى السطح طاقة كامنة أعلى من الطاقة الموجودة داخل الماء نفسه.

تعمل قوة التماسك التي توجد في سطح الماء كغشاء مرن يقاوم التمزق، وهذا ما يُفسر لنا طفو الإبرة على سطحها، بالإضافة إلى تأثر عملية الطفو بشكل الجسم مهما بلغ وزنه.

التوتر السطحي

ظاهرة التوتر السطحي التي تحدث لجزيئات سطح الماء تجعله مرنًا كما لو كان سطحًا متماسكًا، ويحدث أن تتقارب جزيئات سطح الماء بفعل قوة الجذب والتي تأتي من الأسفل فقط، على عكس قوة الجذب التي تحدث للجزيئات الداخلية بشكل متساوي من جميع الجوانب.

تُعرف ظاهرة التوتر السطحي في الاتجاه الفيزيائي بأنها القوة التي تؤثر على وحدة الطول من السطح باتجاه عمودي مع القوة ويتم قياس ظاهرة التوتر السطحي بوحدة نيوتن /متر.

كما تُعرف بأنها الطاقة اللازمة لزيادة مساحة سطح السائل بمقدار متر واحد مربع، وتُقاس في هذه الحالة بالجول/متر.

تبرز ظاهرة التوتر السطحي في الماء بقوة بسبب الرابطة الهيدروجينية الموجودة بين جزيئات الماء، ويتم تكوين الفقاعات والقطرات والسطح الهلالي، بالإضافة إلى قيامها برفع الماء في الأنبوب الشعري المتواجد في النباتات والمسئول عن نقل الماء في اتجاه معاكس للجاذبية الأرضية.

كما توضح ظاهرة التوتر السطحي أسباب تعرض بعض المواد لبلل والبعض الأخر يسهل امتصاص بعض السوائل في مواد معينة، ولكي نستطيع فهم تلك الظاهرة علينا معرفة المواد التي تؤثر عليها:

تتأثر ظاهرة التوتر السطحي بالشوائب: تعمل الشوائب على تقليل التوتر السطحي بسبب عدم قابليتها للذوبان، أما في حالة الشوائب التي تذوب في الماء فإنها قد تقوم بزيادة أو تقليل التوتر السطحي بحسب طبيعة الشوائب، فإذا كانت الشوائب قليلة الذوبان فسوف تقوم تقليل التوتر السطحي مثل إضافة الكافور إلى الماء.
على عكس الشوائب التي تذوب بسهولة تُزيد من التوتر السطحي للماء مثل إذابة الملح في الماء.
تتأثر ظاهرة التوتر السطحي بدرجة الحرارة: تقوم درجة الحرارة بتقليل قوى التجاذب بين الجزئيات فبالتالي كلما زادت درجات الحرارة قل التوتر السطحي للسائل.

أمثلة فيزيائية على التوتر السطحي

من أمثلة التوتر السطحي سقوط الماء على شكل مجموعة من القطرات بدلاً من سقوطه على شكل تيار عمودي مستمر، وأيضًا سقوط قطرات الندى ذات الشكل الشبه كروي.. والتي أخذت شكلها بفعل تأثير الجاذبية الأرضية، تلك الجاذبية التي لولاها لأصبحت القطرات تسقط على شكل كروي تمامًا.

تساعد ظاهرة التوتر السطحي مشبك الورق أن يطفو فوق سطح الماء على الرغم من كثافته العالية ولكن التوتر السطحي المتواجد على سطح السائل تُساعد على مقاومة الجاذبية الموجودة في الأجسام المعدنية.

كما تمكن هذه الخاصية الحشرات من المشي على الماء كما يحدث مع حشرة (الجيريدي)، والتي تُساعدها أرجلها على التحرك فوق سطح الماء بكل سهولة دون أن تخترقه، وتوزيع وزنها على أرجلها عند المشي.

مبدأ أرخميدس ونظرية الطفو

تم اكتشاف نظرية الطفو على يد العالِم الفيزيائي أرخميدس والذي ساهم في العديد من تفسير وبناء قوانين فيزيائية، فكان أشهرها قانون الطفو أو كما يُطلق عليه “مبدأ أرخميدس”.

بدأ اكتشاف قانون الطفو عبر قصة جرت أحداثها مع الفيزيائي أرخميدس، في يوم من الأيام أصدر ملك المدينة التي يعيش فيها أرخميدس أمر بصنع تاج من الذهب الخالص له، وبالفعل قام الصائغ بصناعة التاج له وعند انتهائه منه أرسله إلى الملك.

شعر الملك بالخداع وأن الصائغ قد سرقه وغشه فقام الملك بإصدار أمر لإحضار أرخميدس ليقوم باكتشاف إذا كان التاج مصنوعًا من الذهب النقي أم لا، وبالفعل حضر أرخميدس وشرع في الأمر ولكنه قد واجه العديد من الصعوبات في البداية، بسبب عدم وصول العلماء في تلك الحقبة من الزمن بمبادئ التحليل الكيميائي.

ثم في اليوم ذاته كان أرخميدس في حوض الاستحمام فلاحظ أن الماء تقوم برفع قدميه إلى أعلى بينما هو يُحاول دفعهم نحو الأسفل وأن هناك مقدارًا من الماء يُزاح بسبب ذلك، فقام أرخميدس صارخًا يُردد وجدتها.. وجدتها.

قام أرخميدس بإحضار التاج ووزنه ثم وضعه في إناء به ماء، وفي نفس الإناء وضع أرخميدس كتلة من الذهب الخالص لها نفس وزن التاج، فلاحظ أرخميدس أن مقدار كتلة السائل التي أزاحتها قطعة الذهب الخالص تختلف عن مقدار كتلة السائل التي أزاحها التاج.

نستنتج من ذلك اختلاف مقدار الكثافة بين الجسمين وبالتالي اختلاف مقدار كتلة الماء التي يتم دفعها من الجسمين، وبهذا الأمر استطاع ارخميدس إثبات شكوك الملك بأن الصائغ لم يصنع التاج من الذهب الخالص، مما أودى بحياة الصائغ، فتم وضع واحد من أهم القوانين في تاريخ الفيزياء المُستخدمة في يومنا هذا.

يُمكن تلخيص مبدأ أرخميدس (قانون الطفو) في أن الأجسام التي لا تذوب ولا تتفاعل مع الماء عند وضعها في إناء به سائل، تقوم تلك الأجسام بإحداث دفعة تُدعى(دفعة أرخميدس)، وقوة تلك الدفعة تُساوي وزن السائل الذي يُزيحه الجسم عند غمره.

فأدى مبدأ ارخميدس للطفو بإلهام العلماء لاختراع السفن، فكثافتها تكون أكبر بكثير من كثافة الماء كالحديد والخشب، فيمكن للسفينة أن تطفو فوق سطح الماء بشرطية اتخاذها الشكل المناسب والحجم الذي يجعلها قادرة على الاحتفاظ بكمية كبيرة من الهواء تحت سطحها.

فبالتالي يُصبح معدل كثافة السفينة شاملة الهواء والحديد أقل من كثافة الماء فتطفو على سطحها، وهكذا يكون قد ساهم مبدأ أرخميدس في خدمة البشرية بالعديد من الاختراعات المبنية على نظرية الطفو.

هكذا نكون قد قمنا بالإجابة على سؤال ما الخاصية التي تفسر طفو إبرة فوق سطح الماء، وكافة التفاصيل عن تلك الخاصية، والعوامل المؤثرة فيها و مبدأ أرخميدس ونظرية الطفو.