Cum se calculează forța plutitoare: 12 pași (cu fotografie) - Sfaturi

Video: Archimedes Principle, Buoyant Force, Basic Introduction - Buoyancy & Density - Fluid Statics

Conţinut

Pași
Sfat
De ce ai nevoie

Forța plutitoare este forța care acționează asupra unui obiect scufundat în fluid în direcția opusă gravitației. Când un obiect este plasat într-un fluid, greutatea obiectului împinge în jos fluidul (lichid sau gaz) în timp ce flotabilitatea împinge obiectul în sus, în direcția opusă a gravitației. În general, această flotabilitate poate fi calculată folosind ecuații F_b = V_S × D × g, în care F_b este flotabilitatea, V_S este volumul părții scufundate, D este densitatea fluidului care înconjoară obiectul și g este gravitația. Pentru a afla cum să determinați flotabilitatea unui obiect, începeți cu Pasul 1 de mai jos.

Pași

Metoda 1 din 2: Folosiți ecuația forței plutitoare

Găsiți volumul partea scufundată a obiectului. Flotabilitatea care acționează asupra obiectului este direct corelată cu porțiunea de volum scufundată a obiectului. Cu alte cuvinte, cu cât este mai mare chiuveta unui corp solid, cu atât mai puternică acționează asupra acestuia. Adică, chiar dacă obiectul este complet scufundat în lichid, există încă o flotabilitate care acționează asupra acestuia. Pentru a începe calcularea forței de flotabilitate care acționează asupra unui obiect, primul pas este de obicei determinarea volumului de volum care este îmbibat în fluid. În ecuația forței flotante, această valoare trebuie scrisă în m.
- Pentru un obiect complet scufundat în fluid, volumul care este scufundat va fi egal cu volumul obiectului în sine. Pentru supernatantul fluidului, luăm în considerare doar fracția de volum de sub suprafața fluidului.
- De exemplu, să presupunem că vrem să găsim flotabilitatea acționând asupra unei bile de cauciuc plutind în apă. Dacă bila este o sferă perfectă de 1 m în diametru și plutește cu exact o jumătate scufundată, putem găsi volumul părții scufundate calculând volumul întregii bile și împărțind-o în jumătate. Deoarece volumul sferei este (4/3) π (raza), avem volumul bilei să fie (4/3) π (0,5) = 0,524 m. 0,524 / 2 = 0,262 m a fost scufundat.
Găsiți densitatea fluidului. Următorul pas în găsirea forței plutitoare este determinarea densității (în kg / m) a lichidului înconjurător. Densitatea este o cantitate măsurată prin raportul dintre masa unei materii sau a materiei la volumul corespunzător. Pentru două obiecte de volum egal, obiectul cu o densitate mai mare va fi mai greu. Regula generală este că, cu cât densitatea unui fluid este mai mare, cu atât va fi mai mare flotabilitatea asupra corpului care se scufundă în el. În cazul fluidelor, de obicei cel mai simplu mod de a determina densitatea este prin referințe.
- În exemplul de mai sus, mingea plutește în apă. Literatura de studiu de referință ne spune că apa are o densitate specifică 1.000 kg / m.
- Densitatea multor fluide uzuale este dată în literatura tehnică. Puteți găsi această listă aici.
Găsiți gravitația (sau o altă forță în direcția în jos). Indiferent dacă un obiect se scufundă sau plutește într-un fluid, acesta este întotdeauna sub forța gravitației. De fapt, această constantă a forței descendente este de aproximativ 9,81 Newtoni / kilogram. Cu toate acestea, în cazurile în care există o altă forță care acționează asupra fluidului și corpul care se scufundă în el, cum ar fi forța radială, trebuie să luăm în considerare și această forță atunci când calculăm forța totală "descendentă" pentru întregul sistem.
- În exemplul de mai sus, dacă avem un sistem static normal, atunci se poate presupune că singura forță descendentă care acționează asupra fluidului și a corpului este gravitația standard - 9,81 Newtoni / kilogram.
Înmulțiți volumul prin densitate și gravitație. Când aveți valorile pentru volumul obiectului (în m), densitatea fluidului (în kg / m) și gravitația (sau forța descendentă a sistemului Newton / Kilogram), găsirea forței de plutire devine ușoară. . Pur și simplu triplează-le pentru a găsi forța plutitoare în Newtons.
- Rezolvați problema de exemplu conectând valorile la ecuația F_b = V_S × D × g. F_b = 0,262 m × 1.000 kg / m × 9,81 N / kg = 2.570 Newtoni. Celelalte unități s-ar anihila reciproc, lăsând doar unitatea Newton.
Determinați dacă obiectul pluteste sau nu comparând cu gravitația. Folosind ecuația pentru flotabilitate, veți găsi cu ușurință forța care împinge obiectul din lichid. Cu toate acestea, puteți determina, de asemenea, dacă materialul plutește sau se scufundă în fluid dacă faceți un pas suplimentar. Găsiți forța plutitoare care acționează asupra întregului corp (adică utilizați întregul volum al corpului V_S), apoi găsiți gravitația care atrage obiectul cu ecuația G = (masa obiectului) (9,81 m / s). Dacă forța de plutire este mai mare decât gravitația, obiectul va pluti. Pe de altă parte, dacă gravitația este mai mare, atunci obiectul se va scufunda. Dacă aceste două forțe sunt egale atunci spunem lucrul suspendat.
- Un obiect suspendat nu va pluti deasupra apei sau nu se va scufunda în fund în timp ce se află în apă. Acesta va fi suspendat în lichidul dintre suprafață și fund.
- De exemplu, să presupunem că vrem să știm dacă o cutie cilindrică de lemn de 20 kg cu un diametru de 0,75 m și înălțime de 1,25 m poate pluti în apă. Trebuie să parcurgem mai mulți pași pentru această problemă:
  - Primul este să găsiți volumul folosind formula pentru volumul cilindrului V = π (raza) (înălțime). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 m.
  - Apoi, presupunând că cunoaștem gravitația standard și densitatea apei, rezolvăm forța plutitoare care acționează asupra butoiului. 0,55 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 5.395,5 Newton.
  - Acum trebuie să găsim gravitația care acționează asupra lăzii de lemn. G = (20 kg) (9,81 m / s) = 196.2 Newton. Acest rezultat este mult mai mic decât forța de flotabilitate, astfel încât butoiul va pluti.
Folosiți același calcul atunci când fluidul este un gaz. Când rezolvați probleme cu flotabilitatea, nu uitați că fluidul nu trebuie să fie lichid. Gazele sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de fluide, deși au o densitate foarte mică în comparație cu alte tipuri de materii, iar gazul poate totuși respinge unele dintre obiectele plutitoare din ea. Bula de heliu este dovada acestui lucru. Deoarece heliul dintr-o bulă este mai ușor decât fluidul din jur (aerul), balonul va zbura! publicitate

Metoda 2 din 2: Efectuați un experiment simplu pe forța plutitoare

Așezați un castron mic într-unul mai mare. Cu doar câteva obiecte în casă, veți vedea cu ușurință efectele flotabilității în practică. În acest experiment, arătăm că atunci când un obiect este scufundat, acesta va suferi efectul de flotabilitate, deoarece ia locul cantității de fluid care este egală cu volumul obiectului scufundat. În procesul de a face experimente, vom arăta, de asemenea, cum să găsim forța plutitoare a obiectului în practică. Mai întâi așezați un recipient mic, fără capac, cum ar fi un castron sau o ceașcă, într-un recipient mai mare, cum ar fi un castron mare sau o găleată cu apă.
Umpleți un recipient mic, de la margine la margine, cu apă. Trebuie să turnați apa aproape de margine fără să o vărsați. Fii atent la acest pas! Dacă lăsați apa să curgă, trebuie să goliți complet recipientul mare și să o luați de la capăt.
- Pentru acest experiment, presupunem că apa are o densitate de 1000 kg / m. Dacă nu utilizați saramură sau un lichid complet diferit, majoritatea apelor au o densitate apropiată de această valoare de referință, astfel încât rezultatele nu vor fi afectate.
- Dacă aveți un picurător, îl puteți folosi pentru a picura apă în recipientul interior, astfel încât nivelul apei să fie până la margine.
Scufundați un obiect mic. Apoi, căutați un obiect care să se potrivească confortabil într-un recipient mic, fără deteriorări ale apei. Găsiți greutatea în kilograme a acestui obiect (ar trebui să utilizați scara pentru citire în grame și apoi să o convertiți în kilograme). Apoi apăsați încet obiectul în apă fără să vă udați degetul până când începe să plutească sau abia îl puteți ține, apoi eliberați obiectul. Ar trebui să vedeți puțină apă vărsată peste marginea recipientului interior în recipientul exterior.
- Pentru acest exemplu, să presupunem că apăsăm o mașină de jucărie de 0,05 kg în containerul său interior. Nu trebuie să cunoaștem volumul mașinii pentru a calcula flotabilitatea, așa cum vom ști în pasul următor.
Adună și măsoară deversarea apei. Când apăsați un obiect în apă, acesta ia locul unei ape - altfel nu există spațiu pentru a-l scufunda în apă. Când împinge apa din cale, apa respinge și creează flotabilitate. Colectați apa vărsată din recipientul interior și turnați-o în ceașca mică de măsurare. Volumul de apă din cupă trebuie să fie egal cu volumul obiectului scufundat.
- Cu alte cuvinte, dacă obiectul plutește, volumul de apă care se revarsă va fi egal cu volumul obiectului scufundat sub suprafața apei. Dacă obiectul se scufundă, volumul de revărsare a apei va fi egal cu volumul întregului obiect.
Calculați cantitatea de apă vărsată. Deoarece cunoașteți densitatea apei și puteți măsura volumul de apă care se revarsă într-o ceașcă de măsurare, veți calcula volumul de apă. Convertiți volumul în m (un convertor de unitate online ca acesta vă poate ajuta aici) și multiplicați-l cu densitatea apei (1.000 kg / m).
- În exemplul de mai sus, presupuneți că mașina de jucărie este scufundată în recipientul său interior și ocupă aproximativ 2 linguri (0,00003 m) de apă. Pentru a găsi masa apei, înmulțiți-o cu densitatea: 1.000 kg / m × 0.00003 m = 0,03 kg.
Comparați volumul de apă deplasată și masa obiectului. Acum, că știți masele atât a apei scufundate, cât și a celei deplasate, comparați aceste două valori. Dacă masa obiectului este mai mare decât volumul de apă deplasat, obiectul se va scufunda. Pe de altă parte, dacă volumul volumului de apă deplasat este mai mare, atunci obiectul va pluti. Acesta este principiul plutirii în practică - pentru un plutitor trebuie să deplaseze o masă de apă mai mare decât masa corpului în sine.
- Prin urmare, masele de lumină, dar volumele mari, sunt cele mai bune obiecte plutitoare. Această proprietate indică faptul că obiectele goale pot pluti foarte bine. Să aruncăm o privire la canoe - plutește bine, deoarece este goală în interior, deci poate ocupa multă apă, dar masa nu este prea grea. Dacă canoe ar fi groasă în interior, nu ar putea să plutească bine.
- În exemplul de mai sus, un vehicul cu o masă de 0,05 kg este mai mare decât un volum de apă deplasat cu 0,03 kg. Acest lucru este în concordanță cu ceea ce observăm: mașina s-a scufundat.
publicitate