القوة والحركة – الجلسة الخامسة

تخيل أن لديك سيارة لعبة. عندما تلتقطه، تشعر أنه يحمل بعض الثقل. إن الثقل الذي تشعر به هو ما نسميه الوزن. الوزن هو مدى ثقل أو خفة شيء ما عندما تحمله في يدك. إذن لماذا الأشياء لها وزن؟. حسنًا، ذلك بفضل قوة خاصة تسمى gravity. يعتمد الوزن على كمية الأشياء الموجودة في object وقوة gravity.

ولكن انتظر، لا تخلط بين الوزن mass. Mass هي كمية الأشياء الموجودة في object. إنه مثل كمية الأشياء الموجودة داخل صندوق ألعابك. كلما زاد عدد الألعاب التي تضعها بالداخل، كلما زادت mass. تظل mass ثابتة بغض النظر عن المكان الذي تسافر إليه في الكون. ومع ذلك فإن الوزن يعتمد على mass وقوة gravity.

يمكننا قياس وزن object عن طريق ضرب mass في acceleration gravity الأرض. نحن نعلم أن acceleration object الساقط حرًا على الأرض بسبب gravity هو تسعة وثمانون مترًا في الثانية المربعة. فلنقل أن mass هي 40 كيلوغرامًا. وزنك هو ثلاثمائة واثنين وتسعين نيوتن. نرمز إلى نيوتن بالرمز N.

والآن، هنا شيء مثير. إذا سافرت إلى القمر، سيكون وزنك أقل بكثير من وزنك على الأرض. وذلك لأن القمر لديه قوة gravity أضعف. يشعر رواد الفضاء الذين يزورون القمر بهذا. يمكنهم القفز أعلى بكثير على القمر لأن وزنهم أقل على القمر.

هل تساءلت يومًا لماذا نشعر أن بعض الأشياء ثقيلة بينما نشعر أن أشياء أخرى خفيفة، على الرغم من أنها بنفس الحجم؟. على سبيل المثال، خذ صندوقين من نفس الحجم. إملأ صندوقًا واحدًا بالأخشاب. إملأ صندوقًا آخر بالصخور. أي صندوق سيكون ثقيلاً؟. بالتأكيد سوف تشعر أن الصندوق المملوء بالصخور ثقيل. ولكن لماذا؟.

دعونا نفهم مفهوم الكثافة للإجابة على هذا السؤال. الكثافة هي مقياس لكمية mass الموجودة في حجم معين. يخبرنا عن كمية الأشياء الموجودة في مساحة محددة. يتمتع الصندوق المملوء بالصخور بكثافة أعلى مقارنة بالصندوق المملوء بالخشب. ويرجع ذلك إلى أن الكثافة تُحسب عن طريق قسمة mass object على حجمه. نظرًا لأن حجم الصندوقين متساوٍ، فإن الصندوق المملوء بالصخور له mass أكبر. سيكون لها كثافة أكبر.

دعونا الآن نحسب كثافة قطعة الحديد. نحتاج إلى معرفة mass وحجم قطعة الحديد لقياس كثافتها. افترض أن mass الحديد هي خمسة وخمسون grams. حجمها سبعة سنتيمترات مكعبة. ثم تكون كثافة هذه القطعة من الحديد 7.8 g/cm³.

كثافة كيلوجرام واحد من الحديد أكبر من كثافة كيلوجرام واحد من الخشب. وذلك لأن كيلوغرام واحد من الحديد يشغل مساحة أقل. في حين أن كيلوغرام واحد من الخشب يشغل مساحة أكبر. لذا فإن الكثافة العالية تعني أن object الذي لديه mass يشغل مساحة أقل. في حين أن الكثافة المنخفضة تعني أن object الذي لديه mass يشغل مساحة أكبر.

لنفترض أنك قمت بخلط الزيت بالماء. الزيت لن يذوب في الماء. سيتم تشكيل طبقتين. طبقة واحدة ستكون زيتًا. والطبقة الأخرى ستكون عبارة عن ماء. طبقة الزيت فوق طبقة الماء. ويمكننا أيضًا أن نقول أن الزيت يطفو على الماء. هل يمكنك أن تقول لماذا يطفو الزيت على الماء؟.

يطفو الزيت على الماء بسبب اختلاف الكثافة. كثافة الزيت أقل من كثافة الماء. يرجع ذلك إلى أن mass المتشابهة من الزيت والماء تشغل حجمًا مختلفًا. وهذا يعني أن كيلوغرام واحد من الزيت يشغل مساحة أكبر من كيلوغرام واحد من الماء.

لنفترض أننا نخلط العسل بالماء. يتم تشكيل طبقتين منفصلتين من العسل والماء. كثافة العسل أكبر من كثافة الماء. هل يمكنك معرفة ما إذا كان العسل يشكل الطبقة العليا أم الطبقة السفلية؟. سوف يظهر العسل في الطبقة السفلية. وذلك لأن كثافة الماء أقل من كثافة العسل.

تؤثر الكثافة أيضًا على سلوك الطفو والغرق objects في السوائل. هل تساءلت يومًا لماذا تبقى بعض objects طافية على الماء بينما تغرق أشياء أخرى إلى القاع؟. ويرجع ذلك إلى العلاقة بين كثافة object وكثافة السائل الذي يوضع فيه object. إذا كانت كثافة object أكبر من كثافة السائل، فسوف يغرق object في السائل. على سبيل المثال، تغرق العملة المعدنية في الماء. وذلك لأن كثافة العملة المعدنية أكبر من كثافة الماء.

إذا كانت كثافة object أقل من كثافة السائل، فإن object سيبقى طافيًا فوق السائل. على سبيل المثال، قطعة من الخشب لا تغرق في الماء. إنه يطفو على الماء. وذلك لأن كثافة الخشب أقل من كثافة الماء.

هل تساءلت يومًا لماذا تغرق الإبرة في الماء بينما تطفو السفينة الكبيرة على الماء؟. على الرغم من أن mass السفينة أكبر من mass الإبرة. تغوص الإبرة في الماء لأن كثافتها أكبر من كثافة الماء. الإبرة صغيرة ومضغوطة. إنها تتمتع mass عالية نسبيًا مقارنة بحجمها. ولهذا السبب يغرق في الماء.

تطفو السفينة على الماء لأن كثافتها أقل من كثافة الماء. تم تصميم السفن ببنية مجوفة وكبيرة. وهذا يعني أن لديهم حجمًا كبيرًا مقارنة mass. فنفهم من ذلك أن mass object لا تؤثر على غرقه أو طفوّه على الماء. تؤثر كثافة object على objects عند الغرق أو الطفو.

ربما تكون قد شاهدت بالونات تتجه إلى الأعلى في الهواء. هل تعلم لماذا تسافر البالونات إلى الأعلى في الهواء؟تمتلئ البالونات بغاز الهيليوم. كثافة غاز الهيليوم أقل من كثافة الهواء. بسبب انخفاض الكثافة، يتحرك غاز الهيليوم إلى أعلى في الهواء.