تُعرف الكثافة بأنها كتلة المادة لكل وحدة حجم، ويمكن القول بطريقة أخرى، أنها نسبة الكتلة إلى الحجم. تقيس الكَثافة كم المادة الموجود في وحدة الحجم (سواءً كانت مترًا مكعبًا أو سنتيمترًا مكعبًا). فالكثافة في الأساس مقياسٌ لمدى اكتظاظ المادة، وقد اكتُشف مفهوم الكَثافة بواسطة العالم اليوناني أرخميدس، وهو مفهوم يسهل حسابه إذا علمت المعادلة وفهمت متغيراتها.
معادلة الكثافة
لحساب الكثافة لأي مادة (وغالبا ما يرمز لها بالحرف اليوناني “ρ”) تُقسم الكتلة (m) على الحجم (v):
ρ = m / v
وتكون وحدة الكثافة وفقا للنظام الدولي للوحدات كيلوغرام لكل متر مكعب (kg/m3)، أما في «نظام وحدات سنتيمتر- غرام-ثانية» تُمثل بغرام لكل سنتيمتر مكعب.
كيف تحسب الكثافة ؟
يساعد حل مسألة في دراسة الكثافة، كمثال لاستخدام معادلة الكَثافة التي ذُكرت في الفقرة السابقة.
تذكر أن الكثافة هي الكتلة مقسومةً على الحجم، وتُقاس غالبًا بالغرامات لكل سنتيمتر مكعب، ذلك لأن الغرامات تمثل الوزن القياسي، والسنتيمتر المكعب يمثل حجم الجسم.
في هذه المسألة لدينا قالب من الملح، أبعاده 10 سم × 10 سم × 2 سم، ويزن 433 غ. لإيجاد كثافته، استخدم المعادلة التي ستساعدك في تحديد كمية الكتلة في وحدة الحجم، أو:
ρ = m / v
لديك في هذا المثال أبعاد الجسم، ويجب حساب حجمه. معادلة حساب الحجم تعتمد على شكل الجسم، وفي هذه المسألة يكون حساب الحجم سهلًا؛ لأنه في شكل صندوق:
υ الارتفاع × العرض × الطول =
υ 2 سم × 10 سم × 10 سم =
v = 200 سم3
لديك الآن الكتلة والحجم، الآن احسب الكثافة كما يلي:
ρ = m / v
ρ = 433 غم/200.0 سم3
ρ = 2.165 غ/ سم3
إذن، فكثافة قالب الملح تساوي 2.165 غ/ سم3.
استخدامات الكثافة
معرفة كيفية تصرف المواد المختلفة عند مزجها مع بعضها هي واحدة من أكثر الاستخدامات شيوعا للكثافة، فالخشب يطفو على الماء لأن كثافته أقل من كثافة الماء، بينما تغرق المرساة لأنها من المعدن، وللمعدن كثافة عالية، وتحلق بالونات الهيليوم في الهواء لأن كثافة الهيليوم أقل من كثافة الهواء.
تُختبر السوائل المختلفة في مراكز صيانة السيارات، مثل زيت ناقل الحركة، ليُصَب بعض من هذا الزيت في (الهيدرومتر-hydrometer). يحتوي الهيدرومتر على أجسام معيارية متعددة يطفو بعضها على الزيت، ويستطيع موظف مركز الصيانة أن يحدد كثافة الزيت عند مشاهدة أي من هذه الأجسام تطفو.
يوضح هذا الاختبار لموظف مركز الصيانة إذا كان زيت ناقل الحركة بحاجة إلى تغيير فورًا، أم أنه ما زال صالحًا للاستخدام.
تتيح لك الكثافة حساب الكتلة والحجم إذا أُعطيت إحدى هاتين الكميتين، فكثافة أغلب المواد معلومة، وبالتالي يكون الحساب سهلًا. (لاحظ استخدام رمز النجمة—“*”—لتجنب تداخل متغير الحجم ومتغيرالكثافة، υ و ρ على التوالي).
v * ρ = m
أو
m / ρ = v
يساعد التغير في الكثافة أيضًا في تحليل بعض الحالات. على سبيل المثال، كلما حدث تغير كيميائي تنتج عنه طاقة، فمثلًا، فإن الشحنة المخزنة في البطارية هي عبارة عن محلول حمضي، وعندما تفرغ البطارية شحنتها الكهربائية، يتحد الحمض مع الرصاص داخل البطارية، مكونًا مادةً كيميائيةً جديدة، وينتج عن ذلك نقص في كثافة المحلول، وتقاس هذه الكَثافة لتحديد مستوى الشحنة الباقية داخل البطارية.
الكَثافة هي مفهوم أساسي لتحليل كيفية تفاعل المواد في مجال ميكانيكا الموائع، الطقس، الجيولوجيا، علوم المادة، الهندسة، ومجالات أخرى في الفيزياء.
الكَثافة النوعية
الكَثافة النوعية للمادة هو مفهوم مرتبط بمفهوم الكَثافة (يُطلق عليه أيضا “الكَثافة النسبية” وهو مناسب أكثر)، والكثافة النوعية هي النسبة بين كثافة المادة وكثافة الماء، فعندما تكون الكثافة النوعية لجسم ما أقل من واحد فإن هذا الجسم يطفو على الماء، بينما يغرق الجسم عندما تكون الكثافة النوعية أكبر من واحد، وهذا هو المبدأ الذي يتيح للبالون المملوء بالهواء الساخن أن يحلق في الهواء.
اقرأ أيضًا:
الانفجار العظيم: ادعاء كبير، ما سبب اعتقادنا بصحته ؟
هل وجود الأكوان المتوازية ممكن فيزيائيًا؟
ترجمة: هبة جاد
تدقيق: عبد الرحمن عبد
