ما الخاصية التي تحدد إمكانية انغمار جسم صلب في سائل
الاجابة الصحيحة هي : الكثافة
ما هي الكثافة؟
تعرّف الكثافة على أنّها الكتلة لكلّ وحدة حجم من مادة ما، فعلى سبيل المثال تُساوي كثافة الحديد الخالص 7.87 غم/سم3، وهذا يعني أنّ سنتيمتراً مكعّباً واحداً من الحديد تبلغ كتلته 7.87 غرام، كما تُعرف الكثافة فيزيائياً بالرمز (ρ)، والذي يلفظ "رو"
وحدات قياس الكثافة ؟
تختلف الوحدات المستخدمة للتعبير عن كثافة المواد، فمثلاً في النظام المتريّ تُعدّ وحدات غم/سم3، و كغ/م3 من أشهر الوحدات التي تُعبّر عن الكثافة، ويجدر بالذكر أنّه يُمكن أن تختلف الوحدة الحجمية التابعة لمقياس الكثافة حيث يُمكن استخدام وحدات حجوم عدةّ منها؛ م3، أو لتر، أو مليلتر، أو غيرها
الكثافة هي مقدار الكتلة لكل وحدة حجم. والمعادلة الرياضية لكثافة الجسم 𝜌 هي: 𝜌=𝑀𝑉, حيث 𝑀 كتلة الجسم، و𝑉 حجم الجسم.
أيُّ جسم يتكوَّن بالكامل من مادة واحدة تكون له نفس كثافة أيِّ جسم آخَر مصنوع بالكامل من نفس المادة. على سبيل المثال، كثافة قطعة من الحديد حجمها 1 m3 تساوي تمامًا كثافة قطعة من الحديد حجمها 100 m3. كتلتا قطعتَيِ الحديد وحجماهما مختلفان اختلافًا كبيرًا، لكن كثافتَيِ القطعتين متساويتان.
وهذا لأن كثافة القطعة هي نسبة كتلة هذه القطعة إلى حجمها. كلما زاد الحجم، زادت الكتلة أيضًا، لكنْ تظلُّ النسبة بين هاتين الكميتين –أي الكثافة– ثابتة.
لكنَّ بعض الأجسام مكوَّنة من أكثر من مادة. إذا كانت كثافة كلِّ مادة من هذه المواد مختلفة، فستختلف كثافة الجسم بالكامل باختلاف أجزائه.
على سبيل المثال، لنتخيَّل كرةً مصنوعة من البوليستيرين والحديد. يوضِّح الشكل الآتي مقطعًا عرضيًّا في هذه الكرة. الكثافة في الجزء من الكرة المكوَّن من البوليستيرين أقلُّ بكثير من كثافة الجزء المكوَّن من الحديد.
إذا كانت 𝑀 هي كتلة الكرة بأكملها و𝑉 حجم الكرة بأكملها، فإن 𝜌=𝑀𝑉 سيُعطينا متوسط كثافة الكرة. وستكون قيمة هذه الكثافة في المنتصف بين كثافة البوليستيرين وكثافة الحديد.
من المُهِمِّ أن نتذكَّر هذا الفرق. لكلِّ مادة محدَّدة، تكون كثافة المادة قيمة ثابتة يُمكن ايجادها، وأيُّ جسم يتكوَّن بالكامل من هذه المادة فقط سيكون له هذه الكثافة.
ولكنَّ الجسم المكوَّن من عدَّة مواد تكون قيمة كثافته خاصة به فقط. يمكننا استخدام 𝜌=𝑀𝑉 حيث 𝑀 هي كتلة الجسم بأكمله، و𝑉 هو حجم الجسم بأكمله، لإيجاد متوسط كثافة الجسم بأكمله.
مثال : إيجاد كثافة جسم بمعلومية كتلته وحجمه
مكعب كتلته 30 kg. إذا كان حجم المكعب 0.02 m3، فما كثافته؟
الحل
يُمكن حساب كثافة الجسم من المعادلة 𝜌=𝑀𝑉 حيث 𝑀 كتلة الجسم، و𝑉 حجمه.
الخلاصة
- الكثافة خاصية من خواص المادة، تقيس الكتلة لكلِّ وحدة حجم من المادة، ويُمكن كتابتها على الصورة: 𝜌=𝑀𝑉, حيث ترمز 𝜌 لكثافة المادة، و𝑀 للكتلة و𝑉 للحجم.
- بالنسبة إلى أيِّ مادة، تكون الكثافة ثابتة بغضِّ النظر عن شكل الجسم المصنوع من هذه المادة.
- يُمكننا دمج معادلة الكثافة ومعادلة الحجم لأشكال محدَّدة من الأجسام. على وجه التحديد، حجم مكعب طول ضلعه 𝑙 يساوي 𝑉=𝑙.
- حجم متوازي مستطيلات طوله 𝑙،وعرضه 𝑤،وارتفاعه ℎ،يساوي 𝑉=𝑙𝑤ℎ.
- حجم كرة نصف قطرها 𝑟 يساوي 𝑉=43𝜋𝑟.
الكثافة في حالات المادة
-
كثافة الصلب:
- في الصلب، ترتبط الكثافة بكثافة الذرات أو الجزيئات في البنية البلورية. تزيد كثافة الصلب عادة مع تكدس الجزيئات بشكل أكبر.
-
كثافة السوائل:
- في السوائل، ترتبط الكثافة بقرب الجزيئات. على سبيل المثال، تكون كثافة الماء هي الأقصى عند 4 درجات مئوية.
-
كثافة الغازات:
- في الغازات، تتأثر الكثافة بدرجة الحرارة والضغط. تشرح قانون الغازات الأيديال كيفية تغير كثافة الغاز مع هذه الظروف.
التطبيقات العملية للكثافة
-
الطفو والغرق:
- تعتبر الكثافة أمرًا حاسمًا لشرح لماذا يطفو بعض الأجسام بينما تغرق الأخرى. يطفو الجسم في سائل إذا كانت كثافته أقل من كثافة السائل المحيط به.
-
الصناعة ومراقبة الجودة:
- في الصناعة، يتم استخدام الكثافة لمراقبة جودة المواد. على سبيل المثال، في صناعة الأغذية، يمكن أن تشير الكثافة إلى تركيز بعض المكونات.
-
الاستكشاف الجيوفيزيائي:
- في الجيوفيزياء، يتم استخدام كثافة باطن الأرض لاكتشاف وتوصيف التكوينات المعدنية والتكوينات الجيولوجية.
-
تحديد هوية المواد:
- تستخدم الكثافة أيضًا لتحديد هوية المواد غير المعروفة. يمكن أن يقدم مقارنة الكثافة المقاسة مع الكثافة المعروفة للمواد مؤشرات حول هويتها.
التحديات والاعتبارات
من المهم أن نشير إلى أن الكثافة قد تتغير مع درجة الحرارة والضغط. بالإضافة إلى ذلك، لا تقدم الكثافة معلومات حول شكل أو حجم الجسم، فقط حول كيفية توزيع كتلته بالنسبة لحجمه.
في الختام، الكثافة مفهوم أساسي في الفيزياء والكيمياء، حيث تقدم معلومات قيمة حول تركيب وكثافة المادة. تمتد تطبيقاتها إلى مجموعة واسعة من التخصصات، من الصناعة والاستكشاف الجيوفيزيائي إلى تحديد هوية المواد في المختبرات. فهم الكثافة يساهم بشكل كبير في فهم وتلاعب المادة في سياقات متنوعة.