اصل ارشمیدس Archimedes' principle

وقتی جسمی را در آب می‌گذارید، آب آن را رو به بالا هل می‌دهد. اصل ارشمیدس اندازهٔ این نیرو را مشخص می‌کند: هر جسمی که تمام یا بخشی از آن در یک شاره (مایع یا گاز) فرو رفته، نیرویی رو به بالا به اندازهٔ وزن شارهٔ جابه‌جاشده تحمل می‌کند. این نیرو را نیروی شناوری یا نیروی ارشمیدس می‌نامند.

ارشمیدس چگونه به این اصل رسید؟

داستان معروف می‌گوید پادشاه سیراکوز از ارشمیدس خواست بفهمد تاج او از طلای خالص است یا نه. ارشمیدس در حمام دید سطح آب با فرو رفتن بدنش بالا می‌آید و فهمید حجم آب جابه‌جاشده با حجم جسم برابر است. می‌گویند با فریاد «اورکا» (یافتم) از حمام بیرون دوید. با این روش می‌شد حجم تاج را سنجید و چگالی آن را با طلا مقایسه کرد. جزئیات این روایت را مورخان قطعی نمی‌دانند، اما خود اصل در رسالهٔ او دربارهٔ اجسام شناور آمده است.

چه چیزی تعیین می‌کند جسم غرق شود یا شناور بماند؟

رابطهٔ نیروی شناوری چنین است:

که در آن ρ_f چگالی شاره، V حجم فرو رفتهٔ جسم و g شتاب گرانش است. اگر چگالی جسم از چگالی شاره کمتر باشد، جسم شناور می‌ماند و فقط بخشی از آن فرو می‌رود تا وزنش با نیروی شناوری برابر شود. اگر چگالی جسم بیشتر باشد، غرق می‌شود. فولاد چگال‌تر از آب است، اما کشتی چون توخالی است و حجم زیادی آب جابه‌جا می‌کند، شناور می‌ماند.

کاربردها

• طراحی کشتی و زیردریایی: زیردریایی با پر و خالی کردن مخزن‌ها چگالی میانگینش را تغییر می‌دهد.
• بالن و بادکنک هلیومی: هوا هم شاره است و بالن، مانند جسمی در آب، از هوا شناوری می‌گیرد.
• هیدرومتر: وسیله‌ای برای سنجش چگالی مایع‌ها، مثل شیر یا باتری.
• یخ شناور: بیشتر حجم کوه یخ زیر آب است، چون چگالی یخ کمی کمتر از آب است.

ارتباط با فشار

شناوری ناشی از اختلاف فشار در عمق‌های مختلف است: فشار روی سطح پایین جسم بیشتر از سطح بالای آن است و برایند این نیروها رو به بالاست.

پرسش‌های رایج

### چرا کشتی‌های آهنی غرق نمی‌شوند؟
چون بدنهٔ کشتی توخالی است و چگالی میانگین آن (آهن و هوای داخل با هم) از آب کمتر است. کشتی آن‌قدر آب جابه‌جا می‌کند که وزن آن آب با وزن کشتی برابر شود.

### چرا شناور شدن در دریای مرده آسان‌تر است؟
آب دریای مرده بسیار شور و چگال‌تر از آب معمولی است، پس نیروی شناوری روی بدن بیشتر است و آدم راحت‌تر روی آب می‌ماند.

### اصل ارشمیدس برای گازها هم درست است؟
بله. هوا هم شاره است و جسم در هوا نیز نیروی شناوری می‌گیرد. به همین دلیل بالن‌های پر از هلیوم بالا می‌روند.

### جملهٔ «اورکا» از کجا آمده؟
این واژهٔ یونانی به معنای «یافتم» است و بنا بر روایت‌ها ارشمیدس هنگام کشف راه سنجش حجم تاج گفتش.