کاربرد چگالی در زندگی روزمره، چیست؟

آیا توجه کرده اید علت فرو رفتن میله آهنی کوچک به داخل آب و در مقابل، شناور ماندن کشتی فلزی عظیم الجثه ای که چندین هزار تن بار را نیز، حمل می کند چیست؟ می توانیم پاسخ را در تفاوت چگالی این دو جسم، جستجو کنیم. برای آنکه اجسام روی مایعات، شناور بمانند، باید چگالی کمتری نسبت به مایعات مورد نظر، داشته باشند. « چگالی » به جرم موجود در واحد حجم، گفته می شود که واحد آن در « دستگاه بین المللی یکاها »، کیلوگرم بر متر مکعب است و نماد آن ρ بوده و از رابطه زیر، به دست می آید:

در این رابطه، m نماد جرم و v نماد حجم است. زمانی که جسمی را داخل آب یا هر مایع دیگری، قرار می دهیم، نیروئی متقابل از طرف مایع، به سمت جسم، وارد می شود که میزان آن برابر است با وزن مایعی که آن شیء جا به جا می کند. وزن مایعی که توسط جسم مورد نظر، جا به جا می شود نیز، برابر است با وزن همان جسم. در صورتی که آن شیء بتواند پیش از فرو رفتن کامل، مقدار هم وزن خود را از آن مایع، جا به جا کند، قادر خواهد بود روی مایع، شناور مانده و دیگر، غرق نشود. دلیل غرق شدن میله آهنی کوچک نیز، همین موضوع است؛ چرا که به عنوان مثال، یک میله آهنی 20 کیلوگرمی کوچک نمی تواند تا قبل از غرق شدن کامل، 20 کیلوگرم آب را جا به جا کند؛ اما یک کشتی فلزی 200 هزار کیلوگرمی چنان طراحی می شود که بتواند پیش از غرق شدن، 200 هزار کیلوگرم آب را جا به جا کند. سازندگان کشتی این کار را از طریق پر کردن بخش عمده ای از فضای داخلی کشتی با هوا، انجام می دهند. به این ترتیب، حجم کشتی زیاد می شود؛ بدون آنکه جرم آن تغییر زیادی داشته باشد. بهتر است بدانید جرم اجسام با چگالی آنها، رابطه مستقیم و حجم اجسام با چگالیشان، رابطه معکوس دارد؛ بدین معنا که با افزایش جرم، چگالی افزایش یافته و با افزایش حجم، چگالی کاهش می یابد. در این مورد نیز، با پر کردن فضای داخلی کشتی با هوا، حجم افزایش پیدا کرده و چگالی کاهش می یابد و کشتی خیلی سریع و تا قبل از آنکه به زیر آب، فرو رود، 200 هزار کیلوگرم آب را جا به جا کرده و روی آب، شناور می ماند.

آشنائی با چگالی و قوانین مربوط به آن، ما را قادر می سازد علاوه بر صنعت کشتی سازی، در موارد دیگری نیز، نیازهای خود را برطرف نمائیم؛ از جمله، داروسازی، آتش نشانی و ... . به عنوان مثال، برای خاموش کردن آتشی که در اثر نفت یا بنزین، شعله ور گشته، نمی توان از آب که چگالی بیشتری نسبت به نفت و بنزین، دارد، استفاده کرد؛ چرا که نفت و بنزین که چگالی کمتری دارند روی آب، قرار گرفته و در نتیجه، آتش شعله ورتر می شود. به همین جهت، آتش نشانان در اطفای حریق، موادی را به کار می گیرند که چگالی کمتری نسبت به نفت یا بنزین، داشته باشند.

برای آشنائی با چگونگی به کار بردن فرمول چگالی در محاسبات، به مثال زیر توجه نمائید:

نیمکره ای از جنس آهن با چگالی 8 کیلوگرم بر مترمکعب و شعاع خارجی 3 سانتیمتر، داریم که حفره ای به شکل نیمکره و با شعاع داخلی 2 سانتیمتر را در آن، ایجاد کرده ایم. با در نظر گرفتن π مساوی با 3، جرم آن چند گرم است؟

ابتداء، حجم کره کاملی با شعاع خارجی 5 سانتیمتر و شعاع داخلی 3 سانتیمتر را اندازه گیری کرده و سپس، آن را نصف می کنیم تا حجم نیمکره به دست آید:

بعد، مقادیر مورد نظر را داخل فرمول چگالی، قرار داده و جرم را به دست می آوریم: