Calculați forța de plutire

Flotabilitatea este forța care acționează împotriva gravitației, care afectează toate obiectele scufundate în lichid. Când un obiect este scufundat într-un lichid, greutatea acestui articol presează lichidul (lichidul sau gazul), în timp ce o forță plutitoare forțează articolul împotriva gravitației. În general, această forță de flotabilitate poate fi cu ecuația Fb = Vs × D × g

conținut

Metodă

Metoda 1aplicați ecuația pentru forța de flotabilitate
Metoda 2efectuați un experiment simplu de flotabilitate

Sfaturi
Ce ai nevoie

unde Fb este forța flotantă, în volumul submersibil, D densitatea lichidului în care articolul este scufundat și g gravitatea. Pentru a afla cum puteți determina flotabilitatea unui element, treceți la pasul 1 de mai jos și începeți.

metodă

Metoda 1
Aplicați ecuația pentru forța de flotabilitate

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 1

Calculează volumul a porțiunii scufundate a articolului. Forța de flotabilitate care acționează asupra unui obiect este direct proporțională cu volumul obiectului scufundat. Adică, cu cât mai mult un obiect solid este scufundat, cu atât este mai mare forța care acționează asupra acestuia. Aceasta înseamnă că chiar și obiectele care se scufundă în lichid sunt împinse de o forță plutitoare în sus. Pentru a începe calcularea forței de plutire aplicată unui obiect, ca prim pas, ar trebui să determinați, de obicei, volumul obiectului scufundat în lichid. Pentru ecuația forței de flotabilitate, această valoare ar trebui să fie în m³ fi specificat.

Pentru elementele care sunt complet scufundate în lichid, volumul scufundat este egal cu volumul total al elementului. Pentru obiectele care plutesc pe suprafața unui lichid, se ia numai volumul care se află sub suprafața lichidului.
Spune, de exemplu, că vrem să aflăm flotabilitatea care acționează asupra unei mingi de cauciuc care plutește în apă. Dacă sfera este o sferă perfectă cu un diametru de 1 metru și dacă plutește astfel încât să fie aproape jumătate scufundată în apă, atunci putem afla volumul secțiunii scufundate prin calcularea volumului întregii mingi și apoi prin 2 parts. Deoarece volumul unei sfere (4/3) π (raza)³ este, știm că volumul mingii noastre este (4/3) π (0.5)³ = 0,524 m³ este. 0,524 / 2 = 0,262 m³ scufundat.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 2

Determinați densitatea lichidul tău. Următorul pas pentru a calcula forța de flotabilitate este densitatea (în kilograme / m³) a lichidului în care este scufundat obiectul. Densitatea măsoară greutatea unui obiect sau a unei substanțe în raport cu volumul său. Dacă aveți două obiecte de dimensiuni egale, atunci elementul cu densitate mai mare va cântări mai mult. În general, cu cât este mai mare densitatea lichidului în care este scufundat un articol, cu atât este mai mare forța de flotabilitate. Pentru lichide, este de obicei mai ușor să aflați densitatea prin căutarea unei referințe.

În exemplul nostru, mingea plutește în apă. Când privim într-o sursă științifică, aflăm că apa are o densitate de aproximativ 1000 kilograme / m³ a.

Materialele de referință pentru ingineri enumeră, de asemenea, densitățile multor alte lichide comune. Puteți găsi o astfel de listă aici: [1].

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 3

Determinați gravitatea (sau altă forță descendentă). Dacă un obiect se scufunda sau plutește într-un lichid, acesta este întotdeauna supus gravitației. În lumea reală, această forță constantă descendentă este aproximativ 9,81 Newtoni / kilogram. Cu toate acestea, în situațiile în care o altă forță, cum ar fi forța centrifugală, acționează asupra obiectului lichid și subteran, trebuie să fie inclusă și pentru a determina forța totală "jos" a întregului sistem.

În exemplul nostru, dacă avem de-a face cu un sistem normal, staționar, putem presupune că singura forță descendentă asupra lichidului și a obiectului este gravitatea regulată - 9,81 Newtoni / kilogram.

Dar ce se întâmplă dacă balonul nostru ar fi bătut într-o găleată de apă, care se va mișca cu viteză mare într-un cerc orizontal? În acest caz, forța care vine „în jos“, care acționează forțelor centrifuge generate de leagăn găleții și nu pe gravitatea pământului - presupunând că galeata de swinging destul de repede că nici apa, nici mingea vărsa afară.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 4

Multiplicați volumul × Densitatea × Gravitatea. Dacă aveți valori pentru volumul elementului dvs. (în m³), densitatea lichidului (în kilograme / m³) și gravitatea (sau forța descendentă din sistemul dvs.), este ușor să dați seama de flotabilitate. Pur și simplu înmulțiți aceste trei dimensiuni pentru a găsi flotabilitatea în Newton`s.

Să rezolvăm problema exemplului nostru prin punerea valorilor noastre în ecuația: Fb = Vs × D × g. Fb = 0,262 m³ × 1000 kg / m³ × 9,81 Newtons / kilogram = 2.570 newtoni.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 5

Aflați dacă obiectul dvs. înot este comparat cu gravitatea acestuia. Cu ajutorul ecuației flotante, este ușor de determinat forța care împinge un obiect din lichidul în care este scufundat. Cu toate acestea, cu puțină muncă suplimentară, este de asemenea posibil să se determine dacă obiectul va pluti sau se va scufunda. Pur și simplu găsiți forța de flotabilitate pentru întregul obiect (cu alte cuvinte, luați volumul său total ca Vs) și apoi calculați forța gravitațională descendentă cu ecuația G = (masa obiectului) (9,81 m / sec²). Dacă forța de flotabilitate este mai mare decât gravitația, atunci obiectul plutește. Pe de altă parte, când gravitatea este mai mare, se scufunda. Dacă cele două sunt la fel, atunci vorbește despre neutralitate.

Să spunem, de exemplu, că vrem să știm dacă un butoi cilindric de 20 de kilograme cu diametrul de 0,75 m și o înălțime de 1,25 m plutește sau se scufundă. Pentru aceasta avem nevoie de mai multi pasi:

Putem calcula volumul său cu formula cilindrică V = π (raza)²Calculați (înălțime). V = π (0,375)²(1,25) = 0,55 m³.

Apoi, putem calcula forța de ridicare a butoiului, presupunând gravitatea normală și apa cu densitate normală. 0,55 m³ × 1000 kg / m³ × 9,81 Newtons / kilogram = 5.395,5 newtoni.

Acum trebuie să aflăm gravitatea care acționează asupra cilindrului. G = (20 kg) (9,81 m / secundă²) = 196,2 Newton. Este mult mai puțin decât flotabilitatea, așa că butoiul plutește.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 6

Procedați în același mod dacă lichidul dvs. este un gaz. Atunci când rezolvați probleme de flotabilitate, amintiți-vă că lichidul în care este scufundat obiectul ar putea fi, de asemenea, un gaz. De asemenea, gazele sunt considerate lichide și, deși au o densitate relativ scăzută, ele pot purta totuși greutatea anumitor obiecte care plutesc în ele. Un balon simplu de heliu este cel mai bun exemplu al acestui lucru. Deoarece gazul din balon este mai puțin dens decât lichidul din jurul acestuia (aer normal), acesta plutește!

Metoda 2
Efectuați un experiment simplu de flotabilitate

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 7

Așezați un castron mic sau ceașcă într-unul mai mare. Cu câteva articole de uz casnic puteți observa cu ușurință principiul flotabilității! În acest experiment simplu, vom dovedi că un obiect scufundat este supus forțelor de flotabilitate deoarece deplasează un volum de apă egal cu volumul obiectului scufundat. Cu acest experiment, vom arăta și cum să descoperim flotabilitatea unui obiect într-un mod practic. Începeți prin plasarea unui recipient mic, cum ar fi un vas sau o cană, într-un recipient mai mare, cum ar fi un vas mai mare sau o găleată.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 8

Umpleți recipientul interior pe jantă. Apoi, umpleți recipientul interior mai mic cu apă. Nivelul apei ar trebui să ajungă la partea superioară a recipientului fără a se împrăștia apă. Aici trebuie să fii atent! Dacă vărsați apă, trebuie să goliți recipientul mai mare înainte de a încerca din nou.

În scopul acestui experiment putem presupune că apa are o densitate standard de 1000 kg / m³ a. Dacă nu utilizați apă sărată sau un lichid foarte diferit, atunci apa are de obicei o densitate care este atât de aproape de această referință încât rezultatul nostru nu va fi afectat de nicio abatere mică.

Dacă aveți o pipetă la îndemână, acest lucru poate fi foarte util pentru a aduce apa în recipientul interior exact la nivelul drept.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 9

Scoateți un obiect mic. Acum găsiți un obiect mic care se potrivește în recipientul interior și nu este deteriorat de apă. Găsiți masa acestui articol în kilograme (ați putea folosi o scară de bucătărie care vă oferă grame și apoi convertiți grame în kilograme). Dip acest obiect încet și uniform în apă, fără a vă uda degetele. Scoateți-o până când începe să înoate sau nu mai puteți să o țineți și apoi eliberați-o. Ar trebui să observați cum apa din recipientul interior se varsă peste jantă în recipientul exterior.

Să spunem, pentru scopul acestui exemplu, că am pus o mașină de jucărie cântărind 0,05 kilograme în containerul interior. Nu trebuie să știm volumul acestei mașini pentru a calcula flotabilitatea acesteia, așa cum vom vedea în pasul următor.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 10

Strângeți și pierdeți apa plină. Dacă scufundați un obiect în apă, acesta va deplasa o parte din apă - dacă nu, atunci nu ar avea loc să se scufunde în apă. Când deplasează această apă, apa se stoarce înapoi, ceea ce duce la flotabilitate. Luați apa care a ieșit din recipientul interior și goliți-o într-o ceașcă mică de măsurare a sticlei. Volumul apei din pahar trebuie să fie același cu volumul elementului scufundat.

Asta este, atunci când obiectul dvs. plutește, volumul apei de deasupra este același cu volumul obiectului subacvatic. Pe măsură ce obiectul dvs. se scufundă, volumul apei de deasupra este același cu volumul întregului obiect.

Calculați greutatea apei pline. Deoarece cunoașteți densitatea apei și puteți măsura volumul de apă care se revarsă în cutia de măsurare, puteți afla și masa. Doar convertiți volumul său la m³ (un instrument de conversie online, de ex acest, pot fi utile aici) și multiplicați acest lucru cu densitatea apei (1000 kg / m³).

Pentru exemplul nostru spunem că mașina noastră de jucărie a fost scufundată în recipientul interior și aproximativ două linguri (0,00003 m³) a fost deplasat. Pentru a afla masa apei noastre, am multiplica aceasta prin densitatea ei: 1000 kg / m³ × 0.00003 m³ = 0,03 kg.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 12

Comparați masa apei deplasate cu cea a obiectului. Acum, că știți atât masa obiectului scufundat, cât și apa pe care o deplasează, puteți compara cele două pentru a vedea care este mai mare. Dacă masa piesei scufundate în recipientul interior este mai mare decât cea a apei deplasate, elementul ar fi trebuit să cadă. Pe de altă parte, dacă masa de apă deplasată este mai mare, atunci obiectul ar trebui să se umfle. Acesta este principiul flotabilității în acțiune - pentru ca un obiect să fie flutural, trebuie să înlocuiască o cantitate de apă a cărei masă este mai mare decât masa obiectului însuși.

Prin urmare, obiectele cu o masă mică, dar cu un volum mare, sunt cel mai probabil să plutească. Ceea ce înseamnă, de asemenea, că obiectele goale înoate foarte bine. Gândește-te doar la o canoe - plutește bine pentru că este gol înăuntru și, prin urmare, poate deplasa multă apă fără a avea o masă foarte mare. Dacă canoe avea un nucleu solid, nu ar înota deloc.

În exemplul nostru, masina are o masă mai mare (0,05 kg) decât apa deplasată (0,03 kg). Asta este potrivit pentru observația noastră: mașina a fost scufundată.