عشق الليالي - بحث علمي عن الكثافة

لمعرفة معنى مصطلح الكثافة، يجب في البداية معرفة معاني مصطلحات الكتلة والحجم؛ فمقدار ما في الجسم من مادة يُسمّى بالكتلة، والوحدة التي تُقاس بها هي الغرام (غم) أو الكيلوغرام (كغ)، ويُمكن قياسها بالميزان، ومقدار الحيز الذي تشغله هذه المادة يُسمى بالحجم، ووحدة قياسه سم3 أو م3. أما الكثافة فهي كتلة المادة لوحدة الحجم، والوحدة التي تُقاس بها (غم/سم3) أو (كغ/م3)؛ إذ إنّ كثافة المواد تختلف عن بعضها البعض.

قانون الكثافة:
إنّ الذي وضع قانون الكثافة هو العالم اليوناني (أرخميدس)، ولحساب كثافة مادة ما، يلزمنا معرفة كتلة المادة وحجم المادة، فالكثافة تساوي الكتلة مقسومة على الحجم، فحسب القانون (ث= ك/ح) نجد أنّنا بحاجة لمعرفة متغيرين من المعادلة لحساب المتغير الثالث (ث)، والشكل الآخر للقانون لحساب كتلة المادة (ك= ث X ح)، أمّا لحساب حجم المادة فنستخدم الصورة الأخرى للقانون وهي (ح= ك/ث)؛ حيثُ يُقصَد بالرموز السابقة ما يلي:
ث: كثافة المادة.
ك: كتلة المادة.
v: حجم المادة.

إذن: الكثافة = الكتلة/الحجم، وبالرموز: ث= ك/ح.

ما هي الكثافة:
الكثافة (بالإنجليزية: Density) هي إحدى خواص المادة، وعندما نتحدث عن كثافة المادة نقصد بذلك العلاقة التي تربط بين كتلة المادة والمساحة التي تأخذها تلك الكتلة (الحجم)، والذي يحدّد كثافة المادة هو حجم الذرات في المادة وكتلتها وطريقة ترتيبها، والمواد ذات الأحجام المتساوية والمختلفة في الكتلة تكون مختلفة الكثافة، ومثال ذلك: إذا كان لدينا مكعب مصنوع من مادة النحاس، ومكعب آخر مصنوع من مادة الخشب، وكليهما لديه نفس الحجم، ستكون كثافة مكعب النحاس أكبر من كثافة مكعب الخشب؛ والسبب في ذلك أنَّ كتلة النحاس أكبر من كتلة الخشب

العوامل التي تؤثر على الكثافة
حسب قانون الكثافة المذكور أعلاه، نستنتج أنّ الكثافة تعتمد على الحجم والكتلة؛ فالحجم متغير، وبالتالي تتغيّر الكثافة بتغير الحجم لأنّ العلاقة بينهما عكسية، فكلما قل الحجم زادت الكثافة (مع بقاء الكتلة ثابتة)،
وهنالك عدة عوامل تؤثّر على الكثافة، ومنها:

الضغط: إنّ جزيئات الجسم تقترب من بعضها البعض كلما زاد الضغط عليها لأنّ الجسم المضغوط يقلّ حجمه، وبما أنَّ الحجم يتناسب عكسياً مع الكثافة والضغط، فكلما زاد الضغط على جسم ما تزداد كثافته (علاقة طردية بين الكثافة والضغط).الحرارة: إذا تم تسخين جسم ما تزداد حرارته؛ ممّا يُؤدّي الى تحرك جزيئاته وتباعدها عن بعضها البعض، وبهذا يزداد حجمه، وبما أنَّ الحجم يتناسب عكسياً مع الكثافة وطردياً مع الحرارة، فإن الحرارة تتناسب عكسياً مع الكثافة.

إذا استطاع الباحث تحديد الضغط ودرجة الحرارة المؤثرة على مادة ما، فإنّه يستطيع تحديد كثافتها، فالمواد الغازية أقل كثافة لأنّ جزيئاتها متباعدة عن بعضها البعض، وبهذا فإن حجمها يزيد وتقل كثافتها كون العلاقة بينهما عكسية، أمّا المواد السائلة فهي أعلى كثافة من المواد الغازية، والمواد الصلبة هي الأعلى كثافة من السائلة والغازية، والسبب في ذلك أنَّ جزيئاتها متقاربة مع بعضها البعض، وبالتالي حجمها يقل وتزداد كثافتها تلقائياً.

استخدامات الكثافة :
من أكثر استخدامات الكثافة هي معرفة كيفية تفاعل المواد عند خلطها مع بعضها البعض، فمثلاً مادة الخشب تطفو على سطح الماء لأنّ كثافتها أقل، بينما لو أحضرنا قضيباً من الحديد فإنّه يغرق في الماء لأن كثافته أعلى، والعوامات التي تُوضع في خزانات المياه تطفو أيضاً على سطح الماء لأن كثافتها أقل من كثافة الهواء، ومثال آخر: عند الذهاب بالسيارة إلى ميكانيكي السيارات لفحص الزيوت فيها، سيضع الميكانيكي بعض الزيوت في مقياس الهيدروميتر؛ إذ إنّ هذا المقياس يحتوي على أشياء عدة لمعايرة الزيوت ويطفو بعضها في الزيت، ومن خلال ذلك يمكن تحديد كثافة تلك الزيوت، وهذا يساعدنا في معرفة إن كان الزيت بحاجة إلى تغيير أم ما زال صالحاً، وبعض التغيرات في الكثافة مفيدة، ومثال ذلك عندما يحدث تحوّلات كيميائية وينتج عنها طاقة، فبعض البطاريات تُنتج مادة كيميائية عندما يجتمع الحمض مع الرصاص تؤدي إلى انخفاض كثافة المحلول، وعند قياس هذه الكثافة نستطيع معرفة الكمية المتبقية من الشحنات تلك البطارية، وللكثافة استخدامات عديدة أيضاً في الفيزياء والهندسة والجيولوجيا والطقس.

كيفية حساب الكثافة

هذه بعض الأمثلة حول كيفية حساب الكثافة لمادة ما:

مثال(1): إذا علمت أنّ لدينا مكعب متساوي الأضلاع مصنوع من مادة البلاستيك، يَزن 50 غم، وطول ضلعه 4.5 سم، ما هي كثافته؟

الحل: قانون حجم المكعب: حجم المكعب= (طول الضلع)3، طول ضلع المكعّب= 4.5 سم، وبتطبيق القانون: حجم المكعب= (4.5 سم)3 =91.125 سم3، فالآن أصبح الحجم والكتلة معلومين، فبعد ذلك نجد الكثافة حسب القانون: الكثافة= الكتلة / الحجم، الكثافة = 50 غم / 91.125 سم3؛ إذن كثافة مكعب البلاستيك= 0.548 غم/سم3.