ضبط الحياة الدقيق للكائنات البحرية !
(1) كيف تعيش الكائنات البحريّة في المناطق الباردة ؟
في معظم المواد – لمّا تكون في الصورة الصلبة (بلورات) – وعندما نقوم بزيادة درجة الحرارة عليها، تنتقل من الصلب الى السائل عند درجة حرارة معينة تسمى (Melting point)
وفى معظم المواد المعروفة (في صورة بلورات) يصاحب ذلك نقص في الكثافة ؛فكلما زادت درجة الحرارة كلما قلت الكثافة تدريجياً ، حتى يحدث هبوط مفاجئ للكثافة عند نقطة الذوبان (Melting point).ثم يستمر الهبوط تدريجياً مرة أخرى بعدها .. كما في الصورة 1 (a)
إلا فى حالات نادرة جداً لبعض البلورات مثل : بلورة الثلج . فعندما نقوم بزيادة درجة الحرارة عليها تقل الكثافة تدريجياً .. و لكن عند نقطة الذوبان يحدث العكس لأن الكثافة تزداد بصورة كبيرة و مفاجئة !. و تستمر في الزيادة لفترة قصيرة جداً (إذا قمنا بزيادة درجة الحرارة بعد نقطة الذوبان ) ، ثم تقل تدريجياً بعد حوالى أربع درجات مئوية بعد نقطة الذوبان. كما في الصورة 1 (b)
لذلك عندما تتجمد المياه في بعض البحيرات ؛ يرتفع الثلج على السطح (لأن كثافته أقل من السائل) و يبقى الماء في صورته السائلة في القاع لأن كثافته أعلى ؛ مما يسمح لحياة الكائنات البحرية !
فلو كانت بلورة الثلج تتبع نفس القاعدة كما في بقية البلورات عندما تكون البلورة كثافتها أعلى من كثافة السائل ؛ لكان الثلج المتكون على السطح سيغوص الى القاع و لتجمد القاع كله مما سينتج عنه موت الكائنات البحرية!
(2) ولكن كيف تغوص الأسماك في الماء مع أنَّ وزنها أكبر من قوة دفع السائل لها ؟
للإجابة على هذا السؤال دعنا نوضح بعض المفاهيم ..
في الصورة (2) معادلة هامة في علم الـ (Fluid Mechanics) .. و هي تصف حالة الجسم المغمور تماماً في سائل ( Totally submerged object) ..
و المعادلة تربط ما بين قوتين , قوة دفع السائل للجسم لأعلى (B) , و وزن الجسم لأسفل (F) ..
• لو تغلبت قوة دفع السائل (B) و كانت أكبر من وزن الجسم (F) سيطفو الجسم .
• لو تغلب الوزن (F) على قوة الدفع (B) سينزل الجسم للقاع .
• ما الذى يحدد أي حالة من الحالتين السابقتين ؟ . كما في الصورة ،كثافة السائل[ P f] وكثافة الجسم[ P o] .
• لو كانت كثافة السائل أكبر من كثافة الجسم (الفرق سيكون موجباً)؛ وبالتالي يكون (B) أكبر من (F) و يطفو الجسم .
• لو كانت كثافة الجسم أكبر من كثافة السائل (الفرق سيكون سالباً) ؛ وبالتالي يكون (F) أكبر من (B) و يهبط الجسم للقاع .
الأسماك :
وزن السمكة (F) في الأصل أكبر قليلاً من قوة دفع السائل (B) .. فمن المفترض أنها تهبط للقاع و لا تستطيع الطفو و العوم !
ما الذي يحدث هنا ؟!
في الحقيقة السمكة مزودة بخاصية هامة تُمكنها من التلاعب بكثافة جسمها !
فهى مزودة بمثانة هوائية (Swim Bladder) تقوم بنفخها (ليزداد حجمها) و إذا ازداد الحجم (مع ثبات الكتلة) قلت الكثافة حتى تجعل كثافة جسمها أقل من كثافة السائل ؛ فيُصبح بذلك (B) أكبر من (F) و تستطيع الطفو ..
مراجع :
(1) Richard Turton , Physics of solids .
(2) Young & Freedman , University Physics .
رابط المنشور على صفحتنا
.
