ما هي السمة التي تفسر تعويم الإبرة فوق الماء؟
كثافة الإبرة المعدنية أعلى من كثافة الماء. عندما يتم وضع الإبرة أفقيًا وبعناية شديدة على سطح الماء، تطفو الإبرة على سطح الماء بسبب خاصية التوتر السطحي التي يمكن أن تجعلها تطفو إلى الأبد.
تختلف الخواص الفيزيائية لأسطح المواد عن المادة نفسها بشكل عام، ويتضح ذلك بقوة من خلال خاصية التوتر السطحي للماء، حيث تتلاقى جزيئات الماء على السطح، مما يخلق تماسكًا عاليًا بين روابط جزيئها وبالتالي يحتوي السطح على طاقة كامنة أعلى من الطاقة الموجودة داخل الماء نفسه.
تعمل قوة التماسك الموجودة على سطح الماء كغشاء مرن يقاوم التمزق، وهذا يفسر تعويم الإبرة على سطحها، بالإضافة إلى تأثير عملية التعويم على شكل الجسم بغض النظر عن وزنه.
التوتر السطحي
ظاهرة التوتر السطحي التي تحدث لجزيئات سطح الماء تجعلها مرنة كما لو كانت سطحًا متماسكًا، ويحدث أن جزيئات سطح الماء تتقارب بسبب قوة الجذب التي تأتي من القاع فقط، على عكس قوة الجذب التي تحدث للجزيئات الداخلية بالتساوي من جميع الجوانب.
تُعرف ظاهرة التوتر السطحي في الاتجاه المادي بالقوة المؤثرة على وحدة الطول من السطح في اتجاه عمودي على القوة وتقاس ظاهرة التوتر السطحي بوحدات نيوتن / متر.
يتم تعريفها أيضًا على أنها الطاقة اللازمة لصقر للحصول على مساحة سائلة تبلغ مترًا مربعًا واحدًا، وفي هذه الحالة يتم قياسها بالجول / متر.
تتجلى ظاهرة التوتر السطحي في الماء بقوة بسبب الرابطة الهيدروجينية الموجودة بين جزيئات الماء، وتتشكل الفقاعات والقطرات وسطح الهلال، بالإضافة إلى أنها ترفع الماء في الأنبوب الشعري الموجود في النباتات، وهو المسؤول عن نقل المياه في اتجاه معاكس لجاذبية الأرض.
كما توضح ظاهرة التوتر السطحي أسباب تعرض بعض المواد للبلل والبعض الآخر يسهل امتصاص بعض السوائل في مواد معينة، ولكي نفهم هذه الظاهرة علينا معرفة المواد التي تؤثر عليها:
- تتأثر ظاهرة التوتر السطحي بالشوائب: تقلل الشوائب من التوتر السطحي بسبب عدم قابليتها للذوبان، أما في حالة الشوائب التي تذوب في الماء فقد تتسبب في الصقور أو تقلل من التوتر السطحي حسب طبيعة الشوائب، إذا كانت الشوائب أقل قابلية للذوبان، فإنها تقلل من التوتر السطحي مثل إضافة الكافور إلى الماء.
- على عكس الشوائب التي تذوب بسهولة، فإنها تزيد من التوتر السطحي للماء، مثل إذابة الملح في الماء.
- تتأثر ظاهرة التوتر السطحي بالحرارة: تقلل درجة الحرارة قوى الجذب بين الجزيئات، فكلما ارتفعت درجة الحرارة قل التوتر السطحي للسائل.
أمثلة فيزيائية للتوتر السطحي
ومن أمثلة التوتر السطحي سقوط الماء على شكل مجموعة قطرات بدلاً من السقوط على شكل تيار عمودي مستمر، وكذلك سقوط قطرات الندى على شكل شبه كروي .. والتي اتخذت شكلها بواسطة تأثير جاذبية الأرض التي بدونها كانت القطرات ستسقط بشكل كروي تمامًا.
تساعد ظاهرة التوتر السطحي مشبك الورق على الطفو على سطح الماء على الرغم من كثافته العالية، لكن التوتر السطحي الموجود على سطح السائل يساعد على مقاومة الجاذبية الموجودة في الأجسام المعدنية.
كما تتيح هذه الميزة للحشرات المشي على الماء كما يحدث مع حشرة (Jeridae) التي تساعدها أرجلها على التحرك فوق سطح الماء بسهولة دون اختراقه، وتوزيع وزنها على أرجلها عند المشي.
مبدأ أرخميدس ونظرية الطفو
تم اكتشاف نظرية الطفو من قبل الفيزيائي أرخميدس، الذي ساهم في العديد من تفسير وبناء القوانين الفيزيائية، وأشهرها قانون الطفو، أو كما يطلق عليه “مبدأ أرخميدس”.
بدأ اكتشاف قانون الطفو بقصة حدثت مع الفيزيائي أرخميدس، ذات يوم أصدر ملك المدينة التي عاش فيها أرخميدس أمرًا بصنع تاج من الذهب الخالص له، وبالفعل صنع الصائغ التاج. له ولما انتهى ارسله الى الملك.
شعر الملك بالخداع وأن الصائغ قد سرقه وخدعه، لذلك أصدر الملك أمرًا بإحضار أرخميدس ليكتشف ما إذا كان التاج مصنوعًا من الذهب الخالص أم لا. وبالفعل حضر أرخميدس ومضى في الأمر، لكنه واجه العديد من الصعوبات في البداية، بسبب عدم وصول العلماء في تلك الفترة الزمنية إلى مبادئ التحليل الكيميائي.
ثم، في نفس اليوم، كان أرخميدس في حوض الاستحمام، ولاحظ أن الماء كان يرفع قدميه بينما كان يحاول دفعهما للأسفل، وأن كمية من الماء تتم إزالتها بسبب ذلك، لذلك وقف أرخميدس. حتى صرخت مكررة جدتها .. وجدتها.
أحضر أرخميدس التاج ووزنه، ثم وضعه في وعاء من الماء، وفي نفس الوعاء وضع أرخميدس كتلة من الذهب الخالص بنفس وزن التاج، ولاحظ أرخميدس أن كمية الكتلة السائلة التي تحتوي عليها القطعة. الذهب الخالص المزال يختلف عن كمية الكتلة السائلة التي أزاحها التاج.
نستنتج من هذا الاختلاف في مقدار الكثافة بين الجسمين وبالتالي الاختلاف في كمية الكتلة المائية التي يتم دفعها من الجسمين، وبهذا استطاع أرخميدس إثبات شك الملك في أن الصائغ لم يصنعه. تاج من الذهب الخالص الذي قتل الصائغ لذلك يعد من أهم القوانين في تاريخ الفيزياء المستخدم في هذا اليوم.
يمكن تلخيص مبدأ أرخميدس (قانون الطفو) في تلك الأجسام التي لا تذوب ولا تتفاعل مع الماء عند وضعها في وعاء سائل، تخلق هذه الأجسام نبضة تسمى (نبضة أرخميدس)، وقوة هذا الدفع يساوي وزن السائل الذي يزيحه الجسم عند غمره.
ألهم مبدأ الطفو في أرخميدس العلماء لابتكار السفن، حيث أن كثافتها أكبر بكثير من كثافة الماء، مثل الحديد والخشب، لذلك يمكن للسفينة أن تطفو على سطح الماء بشرط أن تأخذ الشكل والحجم المناسبين. قادرة على الاحتفاظ بكمية كبيرة من الهواء تحت سطحها.
وبذلك يصبح متوسط كثافة السفينة من الهواء والحديد أقل من كثافة الماء وتطفو على سطحها. وهكذا، ساهم مبدأ أرخميدس في خدمة البشرية من خلال العديد من الاختراعات القائمة على نظرية الطفو.
وبذلك نكون قد أجبنا على سؤال ما هي الخاصية التي تفسر طفو الإبرة فوق سطح الماء، وكل التفاصيل المتعلقة بهذه الخاصية، والعوامل التي تؤثر عليها، ومبدأ أرخميدس ونظرية الطفو.