نیروی شناوری، نیروییه که یه بدن غوطه ور در یه مایع رو به بالا فشار میده. وقتی یه بدن در یه مایع غوطه ور میشه، بدن، مایع رو به پایین فشار میده و مایع، بدن رو به بالا. با اینکه مایع یه نیروی رو به بالا رو در هر نقطه تماس با بدن، وارد میکنه، نیروی شنوری حاصل میتونه در یه تک نقطه اعمالی، یا مرکز شناوری در نظر گرفته بشه.
شکل آ۱-۱۱ یه فرد رو نشون میده که روی سطح آب یه استخر شناوره. واسه اینکه تو آب باشه، بدن باید آب رو از سر راه کنار بزنه. (بهش فکر کنید - وقتی وارد وان حمام میشین، آب رو جابجا یا از سر راه کنار میزنین.) وقتی یه بدن به آب فشار وارد میکنه،، آب هم فشار وارد میکنه (همونطور که با قانون سوم نیوتون توضیح داده شد، فصل ۳ رو ببینید). نیروی آب، نیروی شناوری، نماینده یه نیروی خارجی اعمال شده بر بدنه. اگه نیروی شناوری از مایع، به اندازه کافی بزرگ باشه، سبب شناور شدن بدن میشه. کل بدن شخص در مرکز آنالیزه. شکل ب۱-۱۱ یه شکل بدن-آزاده که نیروهای خارجی اثر کننده بر بدن رو نشون میده. کشیدن یه شکل بدن-آزاد در فصل ۴ توضیح داده شده.
شکل ۱-۱۱: آ یه فرد شناور روی سطح آب یه استخر، و ب یه شکل بدن-آزاد یه بدن.
یه بدن شناور در یه مایعبه صورت در حال استراحت در جهت عمودی (بالا و پایین) توضیح داده میشه. یه بدن در حال استراحت در جهت عمودی، شتاب نمیگیره، شتابی در کار نیست چون نیروهای خارجی عمل کننده در جهت عمودی، متعادل هستن (همونطوری که با قانون اول نیوتون توضیح داده شده، فصل ۳ رو ببینید).
وزن بدن شناگر به سمت پایین در جهت عمودی عمل میکنه (همونطوری که وزن همیشه عمل میکنه). اما نیروهای عمودی نامتعادلی وجود ندارن، پس چند نیروی عمودی; وزنی که بدن رو به سمت پایین میکشن رو جبران کنن.
نیرویی که روی بدن به بالا فشار وارد میکنه، نیروی شناوری نام داره، تنها منبع ممکن این نیروی عمودیه. چون نیروی آب که از سمت چپ به شناگر وارد میشه، با نیروی آب که از راست به شناگر وارد میشه، جبران میشه، هیچ نیروی خارجی نامتعادلی در جهت افقی وجود نداره.
همه اشیاء و همه افراد، شناور نمیمونن. اینکه یه بدن شناور بمونه یا غرق بشه، با مقدار وزن بدن نسبت به نیروی شناوری (که ممکنه ایجاد بشه) تعیین میشه.اگر وزن بدن بزرگتر از نیروی شناوری که میتونه ایجاد شه باشه، بدن غرق میشه. اگه وزن بدن، کمتر یا مساوی نیروی شناوری که میتونه ایجاد شه باشه، بدن شناور میمونه.
پس چی مقدار نیروی شناوری رو نسبت به وزن بدن تعیین میکنه؟ نیروی شناوری از آبی میاد که که روی بدن فشار میاره، همونطوری که بدن اون رو از سر راه کنار میزنه. مقدار آب جابجا شده با حجم بدن مشخص میشه - فضای سه بعدی احاطه شده توسط بدن (طول در عرض در ارتفاع برای یه بدن مستطیل شکل، یا چهار سوم πr3 برای یه بدن گرد). یه واحد برای ابراز حجم، متر مکعب (m3). مقدار واقعی، یا اندازه، نیروی شناوری، وزن حجم مایع جابجا شده ست. بهش فکر کنید - آب وزن داره. یه پارچ پر از آب، بیشتر از پارچی بدون آب وزن داره. جابجایی حجم بیشتری از آب، نیروی شناوری بیشتری تولید میکنه.
به صورت تکنیکی، پارچ خالی، در واقع خالی نیست. پر از هوا، یه مایع دیگه ست. اما هوا وزن خیلی کمتری از آب داره که میتونیم بگیم، پارچ خالیه، حتا وقتی در واقع خالی نیست. هممون بعضی وقتا خنگیم!
اصل ارشمیدس تائید میکنه که مقدار نیروی شناوری روی یه بدن، مساوی حجم مایعیه که بدن جابجا میکنه.
اما نیروی شناوری اونقدر زیاد هست که با وزن بدن مقابله کنه؟ البته وزن بدن، کشش جاذبه روی جرم بدنه (فصل ۴ رو ببینید). یه بدن انسان شامل ماده های مختلفه، که شامل استخوان، ماهیچه، چربی، هوا (در شش و شکم)، و آب (اساس سلول)ه. هر کدوم وزن مختلفی دارن - استخوان سنگینتر از ماهیچه ست، که خودش سنگینتر از آبه که سنگینتر از چربی و اون هم سنگینتر از هواست.
جاذبه خاص نسبت وزن یه ماده به حجمشه، و یه مرجع سریع رو برای دیدن اینکه ماده در یه مایع شناور میمونه، ارایه میده. آب، که ۹۸۰۰ توتون بر متر مکعب (N/m3) وزن داره، وزن خاص ۱/۰ رو داره. مقایسه وزن یه متر مکعب ماده های دیگه به وزن یه متر مکعب آب، یه مقدار جاذبه خاص رو به هر ماده میده. جدول ۱-۱۱ وزن بر متر مکعب و مقادیر جاذبه خاص هوا، چربی، آب، ماهیچه، و استخوان رو نشون میده.
برای مشخص کردن اینکه یه ماده توی مایع شناور میمونه، جاذبه های خاص رو مقایسه کنید. اگه مقدار جاذبه خاص ماده کمتر از مایع باشه، ماده توی مایع شناور میمونه. مقادیر برای هوا (۰/۰۰۱۲) و چربی (۰/۹) نشون میده که هردوشون توی آب شناور میمونن. مقادیر برای ماهیچه (۱/۰۵) و استخوان (۱/۰ تا ۱/۵) نشون میده که هردوشون در آب غرق میشن.معمولا، جاذبه خاص بدن سالم انسان، حدودا ۱/۰۶ه چون بشر وزن بدن انسان از استخوان و ماهیچه ست. چون ۱/۰۶ بیشتر از ۱/۰ه، افراد تمایل دارن که در آب فرو برن. اما این ۱/۰۶ با کمترین میزان هوا در شش ها اندازه گرفته شده. یه نفس عمیق، هوای بیشتری اضافه میکنه و جاذبه خاص رو به کمتر از ۱/۰ میرسونه و شناوری رو آسونتر میکنه. نگه داشتن هوا توی شش ها برای کاهش جاذبه خاص، دلیل خوبی برای آسوده خاطری هنگام حضور تو استخر شناست.
افراد باهم روی راحتی شناوری فرق میکنن، چون نسبت استخوان، ماهیچه، و چربی (نامیده میشه ترکیب بدنی) فرق میکنه. جنسیت، نژاد، سن، و سطح فعالیت بدنی همگی ترکیب بدنی رو تحت تاثیر قرار میدن. با تمرین، تقریبا همه میتونن یاد بگیرن که شناور بمونن، که بیشتر با یادگرفتن حبس نفس و آرامش داشتنه. یه "غرق شونده" همیشه میتونه به دریای مرده بره، که جاذبه خاص بالای ۱/۱۶ رو به خاطر داشتن ترکیب بالای نمک رو داره که برای ماهی ها بده و برای شناوری خوبه.
چگالی نسبی یه راه دیگه برای ربط دادن حجم یه بدن به حجم یکسانی از آبه. چگالی، جرم بر هجمه، اما چون وزن با جرم نسبت داره (فصل ۴ رو ببینید)، چگالی نسبی و جاذبه خاص، مقادیر مقایسه پذیر مشابهی از یه ماده نسبت به آب میدن.
برای اثبات حرفم، تو شکل ۱-۱۱ بهتون دروغ گفتم. برای بیشتر افراد، نیروی شناوری و وزن بدن، وقتی بدن به صورت افقی شناور میشه، همراستا نیستن. شکل ا۲-۱۱ نمایش دقیقتری از یه بدن انسان وقتی افقی شناوره، نشون میده. چون شش ها از هوا پرند، مرکز شناوری تقریبا در سطح شش ها واقع شدن، که از مرکز جاذبه بدن انسان، که هول ساعته نافه، انحراف داره.
انحراف وزن و نیروی شناوری، گشتاوری رو روی بدن ایجاد میکنه، که پا رو به پایین میچرخونه و سبب غرق شدن بدن میشه. برای جلوگیری از این، مرکز ثقل و مرکز شناوری باید همراستا بشن. اگه شناور زانوهاشو خم کنه و بازوهاش رو در کنار بدنش نگه داره، مثل شکل ب۲-۱۱، مرکز ثقل به طرف سر حرکت میکنه و با مرکز شناوری همراستا میشه. حالا هیچ گشتاوری تشکیل نمیشه و بدن شناور میمونه.
همه اشیاء و همه افراد، شناور نمیمونن. اینکه یه بدن شناور بمونه یا غرق بشه، با مقدار وزن بدن نسبت به نیروی شناوری (که ممکنه ایجاد بشه) تعیین میشه.اگر وزن بدن بزرگتر از نیروی شناوری که میتونه ایجاد شه باشه، بدن غرق میشه. اگه وزن بدن، کمتر یا مساوی نیروی شناوری که میتونه ایجاد شه باشه، بدن شناور میمونه.
پس چی مقدار نیروی شناوری رو نسبت به وزن بدن تعیین میکنه؟ نیروی شناوری از آبی میاد که که روی بدن فشار میاره، همونطوری که بدن اون رو از سر راه کنار میزنه. مقدار آب جابجا شده با حجم بدن مشخص میشه - فضای سه بعدی احاطه شده توسط بدن (طول در عرض در ارتفاع برای یه بدن مستطیل شکل، یا چهار سوم πr3 برای یه بدن گرد). یه واحد برای ابراز حجم، متر مکعب (m3). مقدار واقعی، یا اندازه، نیروی شناوری، وزن حجم مایع جابجا شده ست. بهش فکر کنید - آب وزن داره. یه پارچ پر از آب، بیشتر از پارچی بدون آب وزن داره. جابجایی حجم بیشتری از آب، نیروی شناوری بیشتری تولید میکنه.
به صورت تکنیکی، پارچ خالی، در واقع خالی نیست. پر از هوا، یه مایع دیگه ست. اما هوا وزن خیلی کمتری از آب داره که میتونیم بگیم، پارچ خالیه، حتا وقتی در واقع خالی نیست. هممون بعضی وقتا خنگیم!
اصل ارشمیدس تائید میکنه که مقدار نیروی شناوری روی یه بدن، مساوی حجم مایعیه که بدن جابجا میکنه.
اما نیروی شناوری اونقدر زیاد هست که با وزن بدن مقابله کنه؟ البته وزن بدن، کشش جاذبه روی جرم بدنه (فصل ۴ رو ببینید). یه بدن انسان شامل ماده های مختلفه، که شامل استخوان، ماهیچه، چربی، هوا (در شش و شکم)، و آب (اساس سلول)ه. هر کدوم وزن مختلفی دارن - استخوان سنگینتر از ماهیچه ست، که خودش سنگینتر از آبه که سنگینتر از چربی و اون هم سنگینتر از هواست.
جاذبه خاص نسبت وزن یه ماده به حجمشه، و یه مرجع سریع رو برای دیدن اینکه ماده در یه مایع شناور میمونه، ارایه میده. آب، که ۹۸۰۰ توتون بر متر مکعب (N/m3) وزن داره، وزن خاص ۱/۰ رو داره. مقایسه وزن یه متر مکعب ماده های دیگه به وزن یه متر مکعب آب، یه مقدار جاذبه خاص رو به هر ماده میده. جدول ۱-۱۱ وزن بر متر مکعب و مقادیر جاذبه خاص هوا، چربی، آب، ماهیچه، و استخوان رو نشون میده.
جدول ۱-۱۱
|
وزن و جاذبه خاص برای بخش های بدن انسان
|
|
ماده
|
وزن
|
وزن خاص
|
هوا
|
۱۱/۸ N/m3
|
۰/۰۰۱۲
|
چربی
|
۸/۸۲۹ N/m3
|
۰/۹
|
آب
|
۹/۸۰۰ N/m3
|
۱/۰
|
ماهیچه
|
۱۰/۳۰۰ N/m3
|
۱/۰۵
|
استخوان
|
۹/۸۰۰-۱۴/۷۱۵ N/m3
|
۱/۰-۱/۵
|
برای مشخص کردن اینکه یه ماده توی مایع شناور میمونه، جاذبه های خاص رو مقایسه کنید. اگه مقدار جاذبه خاص ماده کمتر از مایع باشه، ماده توی مایع شناور میمونه. مقادیر برای هوا (۰/۰۰۱۲) و چربی (۰/۹) نشون میده که هردوشون توی آب شناور میمونن. مقادیر برای ماهیچه (۱/۰۵) و استخوان (۱/۰ تا ۱/۵) نشون میده که هردوشون در آب غرق میشن.معمولا، جاذبه خاص بدن سالم انسان، حدودا ۱/۰۶ه چون بشر وزن بدن انسان از استخوان و ماهیچه ست. چون ۱/۰۶ بیشتر از ۱/۰ه، افراد تمایل دارن که در آب فرو برن. اما این ۱/۰۶ با کمترین میزان هوا در شش ها اندازه گرفته شده. یه نفس عمیق، هوای بیشتری اضافه میکنه و جاذبه خاص رو به کمتر از ۱/۰ میرسونه و شناوری رو آسونتر میکنه. نگه داشتن هوا توی شش ها برای کاهش جاذبه خاص، دلیل خوبی برای آسوده خاطری هنگام حضور تو استخر شناست.
افراد باهم روی راحتی شناوری فرق میکنن، چون نسبت استخوان، ماهیچه، و چربی (نامیده میشه ترکیب بدنی) فرق میکنه. جنسیت، نژاد، سن، و سطح فعالیت بدنی همگی ترکیب بدنی رو تحت تاثیر قرار میدن. با تمرین، تقریبا همه میتونن یاد بگیرن که شناور بمونن، که بیشتر با یادگرفتن حبس نفس و آرامش داشتنه. یه "غرق شونده" همیشه میتونه به دریای مرده بره، که جاذبه خاص بالای ۱/۱۶ رو به خاطر داشتن ترکیب بالای نمک رو داره که برای ماهی ها بده و برای شناوری خوبه.
چگالی نسبی یه راه دیگه برای ربط دادن حجم یه بدن به حجم یکسانی از آبه. چگالی، جرم بر هجمه، اما چون وزن با جرم نسبت داره (فصل ۴ رو ببینید)، چگالی نسبی و جاذبه خاص، مقادیر مقایسه پذیر مشابهی از یه ماده نسبت به آب میدن.
برای اثبات حرفم، تو شکل ۱-۱۱ بهتون دروغ گفتم. برای بیشتر افراد، نیروی شناوری و وزن بدن، وقتی بدن به صورت افقی شناور میشه، همراستا نیستن. شکل ا۲-۱۱ نمایش دقیقتری از یه بدن انسان وقتی افقی شناوره، نشون میده. چون شش ها از هوا پرند، مرکز شناوری تقریبا در سطح شش ها واقع شدن، که از مرکز جاذبه بدن انسان، که هول ساعته نافه، انحراف داره.
انحراف وزن و نیروی شناوری، گشتاوری رو روی بدن ایجاد میکنه، که پا رو به پایین میچرخونه و سبب غرق شدن بدن میشه. برای جلوگیری از این، مرکز ثقل و مرکز شناوری باید همراستا بشن. اگه شناور زانوهاشو خم کنه و بازوهاش رو در کنار بدنش نگه داره، مثل شکل ب۲-۱۱، مرکز ثقل به طرف سر حرکت میکنه و با مرکز شناوری همراستا میشه. حالا هیچ گشتاوری تشکیل نمیشه و بدن شناور میمونه.
ا) یه نمایش بهتر از بدنی که به صورت افقی شناوره، و ب) تاثیر خم کردن زانوها و نگه داشتن بازوها به سمت خارج. |
هیچ نظری موجود نیست:
ارسال یک نظر