How Submarines Sink and Float

شاهدت زهرة سفينة حاويات ضخمة تنزلق عبر خليج سان فرانسيسكو. ظاهرة الطفو هي التي تعمل على إبقاء هذا العملاق طافيًا. ولكن كيف؟ يبدو من المستحيل أن يطفو شيء ثقيل جدًا على الماء. في الواقع، بعض سفن الحاويات أطول من ارتفاع مبنى إمباير ستيت! حقيقة: تعتمد قدرة سفينة الحاويات على الطفو على شكل هيكلها وحجم الماء الذي تزاحه. هذا المبدأ يسمح للسفن التي هي أطول من مبنى إمباير ستيت بالطفو على الرغم من وزنها مئات الآلاف من الأطنان!

في طريق عودتها إلى المنزل في "نو فالي"، كانت زهرة تستحم مع غواصتها اللعبة عندما غرقت إلى القاع. تساءلت لماذا تطفو السفن الضخمة بينما لعبتها الصغيرة لا تطفو. سألت والدها، الذي كان يقرأ كتابًا على الأريكة: "أبي، لماذا تطفو السفن الكبيرة، بينما تغرق غواصتي؟" سألت وهي حائرة. "هذا سؤال رائع يا زهرة!" أجاب والدها. "الأمر كله يعود إلى شيء يسمى الطفو. سيتعين علينا التحقيق في ذلك." حقيقة: حقيقة ممتعة: يستغرق الضوء ثماني دقائق وعشرين ثانية للانتقال من الشمس إلى الأرض. ربما هذا هو السبب في أن ماء الاستحمام يستغرق وقتًا طويلاً ليبرد!

أخرج والد زهرة دفترًا وقال: "دعنا ننظر إلى ما اكتشفه أرخميدس منذ زمن طويل." فتح الكتاب على صفحة عن أرخميدس وقال: "'يوريكا!' كما صرخ أرخميدس الشهير عندما اكتشف مبدأ الطفو. لقد غير ذلك فهمنا للأجسام الطافية، مثل السفن، إلى الأبد." "كان أرخميدس عالم رياضيات وفيزياء ومهندسًا ومخترعًا وعالم فلك يونانيًا،" أوضح والد زهرة. "عاش قبل أكثر من ألفي عام. يفسر مبدؤه كيف تطفو الأجسام أو تغرق." حقيقة: مبدأ أرخميدس، الذي صيغ في اليونان القديمة، لا يزال أساسيًا في الهندسة البحرية اليوم.

بدأ والد زهرة يشرح قائلاً: "تخيلي غواصة موضوعة على ميزان، ولكن تحت الماء. الآن تخيلي نفس الحجم من الماء أيضاً على هذا الميزان، ولكن ليس تحت الماء. وزن هذا الحجم من الماء هو قوة الطفو التي تدفع الغواصة إلى الأعلى!" وأراها رسماً بيانياً في دفتر ملاحظاته. قال: "المفتاح هو الإزاحة. يطفو الجسم إذا كانت قوة الطفو - وزن الماء الذي يزيحه - أكبر من وزنه. وهذا يعني أن الكثافة الكلية أقل من كثافة الماء!" بدأت زهرة تفهم. حقيقة: الكثافة هي الكتلة لكل وحدة حجم. إذا كان الجسم أقل كثافة من الماء، فإنه يطفو؛ وإلا فإنه يغرق. تُصمم السفن لزيادة حجمها إلى أقصى حد بالنسبة لكتلتها.

أوضح والد زهرة لها كيف يمكن للغواصة أن تغير طفوها. وشرح قائلاً: "تحتوي الغواصات على خزانات موازنة. بملئها بالهواء، تزاح الغواصة كمية أقل من الماء، مما يجعلها أخف وزناً وقادرة على الارتفاع. وبملئها بالماء، تزاح كمية أكبر، مما يؤدي إلى غرق الغواصة." ثم رسم مخططاً لغواصة مع خزانات موازنة تمتلئ بالماء والهواء. وسأل: "هل ترين كيف تتغير الأسهم التي تمثل قوة الطفو؟" حقيقة: تتحكم الغواصات في عمقها عن طريق تعديل كمية الماء والهواء في خزانات الموازنة الخاصة بها، مما يغير كثافتها الكلية بشكل فعال.

لإثبات ذلك، اصطحب والد زهرة ابنته إلى مدرسة إيفرت المتوسطة حيث عرض عليهم السيد هاريس، مدرس العلوم، نموذج غواصة. ضخ الهواء في خزانات الموازنة، وارتفع النموذج إلى سطح الخزان. ثم سمح بدخول الماء، فغرقت الغواصة. "هذه هي الطريقة التي تستكشف بها الغواصات أعماق المحيطات"، أوضح السيد هاريس. "إنها تغير كثافتها للغوص والطفو!" حقيقة: كانت خزانات الموازنة ضرورية لاختراع أول غواصة حقيقية على يد كورنيليوس دريبل في القرن السابع عشر، على الرغم من أن تصميمه كان مختلفًا تمامًا عن الغواصات الحديثة.

تخيلت زهرة غواصة حقيقية، سفينة أبحاث في أعماق البحار، تستكشف خندق ماريانا، أعمق جزء في المحيط. رأت الغواصة تتنقل بصمت عبر المياه المظلمة، وأضواءها تضيء مخلوقات غريبة ورائعة. فكرت قائلة: "بدون فهم الطفو والكثافة، لم نكن لنستطيع استكشاف هذه الأماكن المذهلة!" حقيقة: خندق ماريانا عميق جدًا لدرجة أن جبل إيفرست يمكن أن يغمر فيه ويبقى فوق قمته أكثر من ميل من الماء.

بالعودة إلى المنزل، لاحظت زهرة أمثلة أخرى على الطفو. رأت منطاد هواء ساخن يرتفع في السماء، وقاربًا يطفو على الخليج، وحتى نفسها تطفو في حوض السباحة. "الطفو موجود في كل مكان!" هتفت لأمها وهي تشاهد منطاد الهواء الساخن ينجرف. حقيقة: تطفو مناطيد الهواء الساخن لأن الهواء الساخن أقل كثافة من الهواء البارد. يخلق هذا الاختلاف في الكثافة قوة طفو ترفع المنطاد.

أراها والدها، وهو رجل هادئ ومفكر وودود في الأربعينات من عمره، يرتدي نظارة، وله لحية قصيرة أنيقة، وشعر داكن قصير مع القليل من الشيب عند الصدغين، ويرتدي سترة مريحة وسروالاً غير رسمي وحذاءً خفيفاً، صورةً لجبل جليدي. وشرح لها قائلاً: "حتى شيء ضخم مثل الجبل الجليدي يطفو لأن كثافة الجليد أقل من كثافة الماء. ولكن حوالي عشرة بالمائة فقط من الجبل الجليدي يكون مرئياً فوق السطح." أُذهلت زهرة وقالت: "إذن، معظم الجبل الجليدي مخفي تحت الماء؟" حقيقة: تطفو الجبال الجليدية لأن كثافة الجليد أقل من كثافة الماء السائل، وهي خاصية فريدة بسبب الروابط الهيدروجينية. وهذا يسمح للحياة البحرية بالازدهار حتى في الظروف المتجمدة.

ابتسمت زهرة، فهمت الآن لماذا غرقت غواصتها اللعبة بينما طافت السفن الضخمة. بفهم مبادئ الطفو، يمكننا تصميم آلات مذهلة، واستكشاف أعماق المحيط، وحتى فهم سبب طفو الجبال الجليدية. أدركت: "العلم يساعدنا على فهم العالم من حولنا، من أصغر لعبة إلى أكبر سفينة!" حقيقة: فهم الطفو يسمح لنا بتصميم السفن والغواصات ومناطيد الهواء الساخن، وحتى التنبؤ بسلوك الجبال الجليدية، مما يساعدنا على الإبحار واستكشاف عالمنا بأمان وكفاءة أكبر.