نبذة تعريفية عن كثافة المواد ومدى تأثيرها على طفو وذوبان الأجسام في السائل

2011 تجارب علمية داخل المادة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

كثافة المواد طفو الأجسام في السائل ذوبان الأجسام في السائل الفيزياء

تترتب «المادة» بطرائق متعددة. تكون بعض أنواع «المادة» متراصّة مع بعضها، في حين يتسم ترتيبها في بعض المواد الأخرى بالتفكك، وكثافة مادة ما، هي قياس لمدى تراصّ «المادة» داخلها.

الكثافة هي كتلة مادة ما لوحدة الحجم، والكتلة هي قياس مقدار ما يحويه الجسم من المادة، أما الحجم فهو الحيّز الذي يشغله الجسم من الفضاء.

أيهما أكثر كثافة الفولاذ أم الفلين؟ إن قطعة من الفولاذ أثقل وزناً بكثير من قطعة فلين لها حجم مماثل لحجم قطعة الفولاذ.

 

تشغل قطعتا الفولاذ والفلين حيّزاً مماثلاً من الفضاء، لكن الفولاذ أثقل وزناً لأنه يحوي مادة متراصّة في داخله أكثر مما يحويه الفلين، لذلك فإن الفولاذ أكثر كثافة من الفلين.

وينبغي عدم الخلط بين الكتلة والوزن أثناء التفكير بالكثافة، فالوزن هو قياس لمقدار قوة شدّ الجاذبية لجسم ما نحو الأرض.

 

فعلى سبيل المثال، إذا كان وزن قطعة الفولاذ على سطح الأرض يساوي 27N (6 أرطال)، فإن وزنه على سطح القمر سيكون 4.5N (رطل واحد)، حيث تساوي عجلة الجاذبية للقمر سدس عجلة الجاذبية للأرض.

لكن الكتلة ستبقى واحدة في الحالتين وتساوي 2.8 كجم (0.2 سلج). فالفولاذ يحوي الكمية ذاتها من المادة ويشغل حيّزاً من الفراغ على القمر مماثلاً للحيّز الذي يشغله على الأرض، لذلك له الكتلة والكثافة ذاتها أينما كان.

 

كيف تطفو المواد؟

تؤثر كثافة الجسم في الطريقة التي يطفو فيها على السائل. فالأجسام ذات الكثافة الأدنى من السائل تستطيع الطفو، بينما تغرق الأجسام التي لها كثافة أعلى من السائل، كما أن السوائل تطفو على غيرها من السوائل ذات الكثافة الأكبر.

فعلى سبيل المثال تحدث الأشكال متعددة الألوان التي تظهر أحياناً على برك الماء الصغيرة المتشكلة على الطرقات بفعل الأمطار بسبب طبقة من الزيت تطفو على الماء، لأن الزيت الذي يقطر من السيارات والشاحنات في تلك البرك هو أقل كثافة من ماء المطر.

وإذا تغيرت كثافة أحد السوائل بطريقة ما، فإن ذلك سيؤثر في الطريقة التي تطفو فيها الأجسام الصلبة وغيرها من السوائل على ماء تلك البرك الصغيرة.

 

هناك طريقتان لتغيير كثافة السائل، وتعتمد إحدى هاتين الطريقتين على زيادة درجة الحرارة. وعندما يتم تسخين السائل، فإن الذرّات (جسيمات المادة الدقيقة) الموجودة في السائل ستتباعد عن بعضها، وبالتالي يتمدد السائل ويشغل حيّزاً أكبر من الفراغ.

وبما أن حجم السائل ازداد، فإن كثافته قد انخفضت. يسبب تبريد السائل عادة حدوث أثر معاكس، والمقصود بذلك ازدياد الكثافة، كما أن تبريد السوائل يحوّلها إلى أجسام صلبة، والتي تكون كثافتها عادة أكبر من كثافتها في أشكالها السائلة.

 

الذوبان والكثافة

تزداد كثافة السائل عندما تذوب فيه مواد أخرى. فعلى سبيل المثال، عندما يذوب الملح في الماء، فإن كتلة الملح تضاف إلى كتلة الماء لكن حجم السائل يكاد يكون ذاته تقريباً.

إن البحر الميت هو عبارة عن بحيرة ضخمة مملوءة بماء مالح للغاية على الحدود بين إسرائيل والأردن، فالماء في البحر الميت عالي الكثافة لدرجة أن الأشياء التي تغرق في الماء العذب، بما في ذلك الإنسان، تطفو بسهولة في البحر الميت.

اكتشف بنفسك تاثير التغيرات في كثافة الماء من خلال تجريب الأنشطة الواردة في الصفحة التالية.

 

الجاذبية النوعية

يستخدم صانعو النبيذ مقياس كثافة السوائل (الهيدرومتر) لقياس كثافة النبيذ أثناء صنعه، ويدلهم هذا القياس على مقدار السكر الموجود في النبيذ.

فالنبيذ الذي له كثافة عالية يحوي كمية زائدة من السكر، وكلما ازدادت كمية السكر أصبحت خميرة صنع الكحول مأمونة غذائياً بشكل أكبر، لذلك يحوي النبيذ النهائي مزيداً من الكحول.

ويسمى هذا القياس لكمية السكر في النبيذ (والبيرة) بالجاذبية النوعية.

 

الوزن والكتلة والحجم

تستطيع قياس الجسم بطريقتين: إما بقياس حجمه أو كتلته.

فعلى سبيل المثال تقوم بشراء البنزين بالحجم (بالغالونات) الذي يشكل مقدار الحيز الذي يشغله البنزين من الفضاء.

لكنك تشتري التفاح بالوزن الذي يعد قياساً لقوة شد الجاذبية التي تشد التفاح باتجاه الأرض، إن الوزن على كوكب الأرض له الكتلة ذاتها من الناحية العملية، ولكن عندما تكون الجاذبية أقل – كما هو الحال على القمر –  فإن وزن التفاح سيكون أقل.

 

إن حجم مادة ما كالماء أو المعدن قد يتغير من خلال إضافة الحرارة أو الضغط، لكن الكتلة تبقى ذاتها دائماً.

فتسخين الأجسام يسبب تمددها بينما يؤدي تبريدها إلى تقلصها، والضغط هو مقياس القوة لوحدة المساحة.

 

وتؤدي زيادة الضغط على مادة ما إلى ضغطها لتصبح ذات حجم أصغر، وعندما تشد قوة الجاذبية أحد الأجسام فإنها تشكل قوة يطلق عليها الوزن.

يعتمد مدى القوة على كتلة الجسم، ففي الشكل المبين أدناه جميع المكعبات لها حجم واحد لكن الرصاص الذي يعد معدناً كثيفاً جداً يزن 13 ضعفاً من وزن الشمع و56 ضعفاً من وزن خشب البلسا.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]