الدرس الأول: الموائع الساكنة (Static Fluids)
الثانوي - الصف العاشر
مقدمة
في حياتنا اليومية، نتعامل مع السوائل (مثل الماء والزيت) والغازات (مثل الهواء)، وكلاهما يسمى موائع لأن لهما القدرة على الجريان وتغيير شكلهما حسب الوعاء الذي يوضعان فيه. عندما يكون المائع ساكناً (غير متحرك)، فإن له خصائص مهمة، أبرزها الضغط و قوة الطفو. في هذا الدرس، سنتعرف على هذه المفاهيم وقاعدة أرخميدس، وتطبيقاتها العملية مثل السفن والغواصات والمناطيد.
أولاً: تعريف المائع (Fluid)
المائع هو أي مادة لها القدرة على الجريان وتأخذ شكل الوعاء الذي تحتويه. يشمل المائع السوائل والغازات. تنقسم الموائع من حيث الحالة الحركية إلى:
- موائع ساكنة (Static Fluids): لا تتحرك (مثل الماء في خزان ساكن).
- موائع متحركة (Fluids in Motion): تتدفق (مثل الماء الجاري في النهر).
ثانياً: ضغط المائع الساكن (Pressure of a Static Fluid)
تعريف الضغط
الضغط (P) هو قوة عمودية تؤثر في وحدة المساحة. وحدته في النظام الدولي هي الباسكال (Pa)، حيث 1 Pa = 1 N/m².
ضغط المائع عند نقطة داخلية
عند نقطة على عمق h داخل مائع ساكن متجانس: P = ρf g h
الضغط الكلي (إذا كان السطح ملامساً للهواء): Ptotal = P0 + ρf g h
مثال من الكتاب (ص 59)
أحسب ضغط الماء المؤثر في سمكة على عمق 20 m تحت سطح البحر. كثافة ماء البحر 1024 kg/m³، g = 10 m/s².
P = ρ g h = 1024 × 10 × 20 = 2.048 × 10⁵ Pa
(هذا هو ضغط الماء فقط؛ أما الضغط الكلي فيضاف إليه الضغط الجوي 1.01 × 10⁵ Pa).
ثالثاً: قوة الطفو (Buoyant Force) – FB
عند غمر جسم في مائع، فإن المائع يؤثر في الجسم بقوة إلى أعلى ناتجة عن فرق الضغط بين السطح السفلي والعلوي للجسم. هذه القوة تسمى قوة الطفو.
حيث Vf هو حجم الجزء المغمور من الجسم (ويساوي حجم المائع المزاح).
رابعاً: قاعدة أرخميدس (Archimedes’ Principle)
"قوة الطفو المؤثرة في جسم مغمور كلياً أو جزئياً في مائع تساوي وزن المائع المزاح."
خامساً: حالات الأجسام في المائع
1. الجسم يغرق
ρo > ρf → FB < Fg
2. الجسم معلق
ρo = ρf → FB = Fg
3. الجسم طافٍ
ρo < ρf → FB = Fg (جزئياً)
سادساً: أمثلة محلولة من الكتاب
مثال 2 (ص 66) – التحقق من قاعدة أرخميدس
جسم وزنه في الهواء 9 N. عند غمره في الماء، زاح 0.3 kg من الماء.
- قوة الطفو: FB = 0.3 × 10 = 3 N
- وزن الجسم في الماء: 9 - 3 = 6 N
- حجم الجسم: V = 0.3 / 1000 = 3 × 10⁻⁴ m³
مثال 5 (ص 68) – قارب يطفو
قارب كتلته 200 kg، متوسط كثافته 100 kg/m³، يطفو على ماء البحر كثافته 1024 kg/m³.
الحمولة القصوى = 1848 kg
مثال 6 (ص 68) – بالون هيليوم في الهواء
بالون قطره 0.4 m، كثافة الهواء 1.29 kg/m³.
قوة الطفو = 0.43 N
سابعاً: تطبيقات قاعدة أرخميدس
السفن
تصمم بتجويف يقلل متوسط الكثافة.
الغواصات
خزانات ماء للتحكم في الطفو.
مقياس كثافة السوائل
يطفو ويُدرج لقراءة الكثافة.
المناطيد
تملأ بغاز أخف من الهواء.
ثامناً: ملخص الدرس
| المفهوم | الصيغة | ملاحظات |
|---|---|---|
| ضغط المائع الساكن | P = ρf g h | بدون الضغط الجوي |
| الضغط الكلي | Ptotal = P0 + ρf g h | عند سطح المائع ملامس للهواء |
| قوة الطفو | FB = ρf Vf g | Vf = حجم الجزء المغمور |
| قاعدة أرخميدس | FB = Wfluid displaced | وزن المائع المزاح |
بهذا نكون قد أتممنا شرح الدرس الأول من الوحدة الخامسة: الموائع الساكنة. لقد تعلمنا الفرق بين المائع والجسم الصلب، وكيف نحسب الضغط داخل المائع، وما هي قوة الطفو وكيف نشأت، وأخيراً قاعدة أرخميدس التي تفسر طفو السفن والغواصات والمناطيد.