Cum de a calcula flotabilitatea

Forța de tracțiune este forța care acționează în direcția opusă direcției gravitației care afectează toate obiectele scufundate într-un fluid. Atunci când un obiect este plasat într-un fluid, greutatea lui împinge fluidul (lichid sau gaz), în timp ce forța de împingere împinge obiectul în sus, acționând împotriva gravitației. În termeni generali, această forță poate fi calculată din ecuație F_b

conținut

Pași
Metoda 1folosind ecuația forței de împingere
Metoda 2efectuarea unui experiment simplu pe împingere
Sfaturi
Materiale necesare
Surse și cotatii

= V_s × D × g, unde F_b este forța de tracțiune, V_s este volumul scufundat, D este densitatea fluidului în care obiectul este scufundat și g este forța gravitației. Pentru a afla cum să determinați forța obiectului, consultați pasul 1 pentru a începe.

pași

Metoda 1
Folosind ecuația forței de împingere

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 1

Găsiți volumul porțiunii scufundate a obiectului. Forța flotantă care acționează asupra unui obiect este direct proporțională cu volumul obiectului care este scufundat. Cu alte cuvinte, cu cât este mai solid obiectul, cu atât este mai mare forța flotantă care acționează asupra acestuia. Aceasta înseamnă că și obiectele care se scufundă într-un lichid au o forță care le împinge. Pentru a începe calcularea acestei intensități, primul pas este de a determina volumul obiectului scufundat. Pentru ecuație, această valoare trebuie să fie în metri³.

Pentru obiectele care sunt complet scufundate în fluid, volumul scufundat este același ca și obiectul. Pentru cei care plutesc pe suprafața lichidului, este luată în considerare numai volumul sub suprafață.
De exemplu, să presupunem că vrem să găsim forța plutitoare care acționează pe o minge de cauciuc care plutește în apă. Dacă mingea este o sferă perfectă, cu un diametru de un metru și plutește la jumătate în apă, putem găsi volumul porțiunii scufundate prin găsirea volumului total al sferei și împărțirea cu două. Deoarece volumul sferei este dat de (4/3) π (raza)³, știm că vom avea un rezultat de (4/3) π (0.5)³ = 0.524 metri³. 0,524 / 2 = 0,262 metri³ scufundat.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 2

Găsiți densitatea fluidului. Următorul pas în procesul de căutare a forței de flotabilitate este definirea densității (în kilograme / metru³) din care obiectul este scufundat. Densitatea este o măsură a unui obiect sau a unei greutăți relative a substanței în volum. Având în vedere două obiecte cu volum egal, cel cu cea mai mare densitate cântărește mai mult. De regulă, cu cât este mai mare densitatea fluidului, cu atât este mai mare forța de împingere pe care o exercită. Cu fluide, este în general mai ușor de determinat densitatea prin analizarea materialelor de referință.

În exemplul nostru, mingea plutește în apă. Prin consultarea unei forțe academice, putem constata că densitatea apei este de aproximativ 1000 kg / metru³.
Densitățile altor fluide uzuale sunt enumerate în surse de inginerie. O astfel de listă poate fi găsită aici.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 3

Găsiți forța gravitației (sau altă forță în jos). Indiferent dacă obiectul este plutitor sau total scufundat, el este întotdeauna supus forței gravitaționale. În lumea reală, această forță constantă este egală cu 9,81 Newtoni / kg. Cu toate acestea, în situațiile în care o altă forță, cum ar fi centrifuga, acționează asupra unui fluid și asupra obiectului scufundat, trebuie să se ia în considerare și forța totală descendentă.

În exemplul nostru, dacă avem de-a face cu un sistem obișnuit și staționar, putem presupune că singura forță care acționează în jos este forța gravitației menționată mai sus.
Cu toate acestea, dacă balonul nostru plutea într-o găleată de apă, se rotește cu o viteză mare într-un cerc orizontal? În acest caz, presupunând că găleata se rotește suficient de repede pentru a se asigura că atât apa, cât și mingea nu cad, forța descendentă în acea situație ar deriva din forța centrifugă creată de mișcarea găleții, și nu de gravitatea pământului.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 4

Multiplicați volumul × densitatea × severitatea. Când aveți valori pentru volumul obiectului dvs. (în metri ³), densitatea fluidului (în kilograme / metru³) și forța gravitației (sau forța de forță a sistemului dvs.), găsirea forței de împingere este ușoară. Pur și simplu înmulțiți aceste trei cantități pentru a găsi forța în Newtons.

Să rezolvăm exemplul nostru prin înlocuirea valorilor noastre în ecuația F_b = V_s × D × g. F_b = 0.262 metri³ × 1000 kg / metru³ × 9,81 newtoni / kg = 2570 Newtoni.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 5

Aflați dacă obiectul dvs. plutește comparându-l cu forța gravitației. Folosind ecuația forței de tracțiune, este ușor să găsiți forța care împinge un obiect din fluidul în care este scufundat. Cu toate acestea, cu puțin mai multă muncă, este de asemenea posibil să se determine dacă obiectul va pluti sau se va scufunda. Pur și simplu găsiți forța plutitoare pentru obiect (cu alte cuvinte, folosiți volumul întreg ca V_s), apoi găsiți forța gravitației cu ecuația G = (masa obiectului) (9,81 metri / secundă²). Dacă forța de tracțiune este mai mare decât cea a gravitației, obiectul va pluti. Dar dacă forța gravitației este mai mare, se va scufunda. Dacă ele sunt egale, obiectul se spune că este "neutru".

De exemplu, să spunem că vrem să știm dacă un vas cilindric de 20 de kilograme, cu un diametru de 0,75 metri și o înălțime de 1,25 metri, va pluti în apă. Acest lucru necesită câțiva pași:
- Putem gasi volumul cu formula V = π (raza)²(Înălțime). V = π (0,375)²(1,25) = 0,55 metri³.
- După aceea, presupunând valorile implicite pentru gravitația și densitatea apei, putem determina forța de flotabilitate a cilindrului. 0,55 metri³ × 1000 kg / metru³ × 9,81 newtoni / kilogram = 5395,5 Newtons.
- Acum trebuie să găsim forța gravitației în cilindru. G = (20 kg) (9,81 metri / secundă²) = 196.2 Newtons. Este mult mai mică decât forța de împingere, astfel încât butoiul va pluti.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 6

Utilizați aceeași tehnică atunci când fluidul este un gaz. La depanare, nu uitați că lichidul nu trebuie să fie lichid. Gazele sunt, de asemenea, considerate a fi fluide și, deși au densități mai mici comparativ cu alte tipuri de materiale, ele pot încă să suporte greutatea unor obiecte. Un balon simplu de heliu este o dovadă a acestui fapt. Deoarece gazul din balon este mai puțin dens decât fluidul din jur, acesta plutește!

Metoda 2
Efectuarea unui experiment simplu pe împingere

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 7

Așezați o ceașcă sau un bol mic într-un vas mai mare. Cu unele articole de uz casnic, este ușor să vedeți elementele de bază ale împingerii în acțiune! În acest experiment simplu, vom demonstra că un obiect scufundat suferă o flotabilitate deoarece deplasează un volum de fluid egal cu volumul obiectului scufundat. Pe măsură ce facem acest lucru, demonstrăm și cum să găsim forța de împingere a unui experiment. Pentru a începe, așezați un recipient mic, cum ar fi un vas sau o ceașcă, într-un recipient mai mare, cum ar fi un vas mai mare sau găleată.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 8

Umpleți recipientul din interior spre margine. Apoi, umpleți recipientul mai mare cu apă. Vrei ca nivelul apei să fie peste bord, fără să bată. Fii atent! Dacă vărsați apă, goliți recipientul mai mare înainte de a încerca din nou.

Pentru acest experiment, este sigur să se presupună că apa are densitatea apei având valoarea standard de 1000 kg / metru³. Dacă nu utilizați apă sărată sau un lichid diferit, cele mai multe tipuri de apă au o densitate apropiată de valoarea de referință.
Dacă aveți un dropper, poate fi foarte util să verificați nivelul apei din recipientul interior.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 9

Împingeți un obiect mic. Acum găsiți un obiect mic care se potrivește în interiorul recipientului interior și nu va fi deteriorat de apă. Găsiți masa acestui obiect în kilograme (utilizați o scară pentru acest lucru). Apoi, fără a vă umezi degetele, scufundați obiectul în apă până când acesta începe să plutească sau nu îl poate menține. Ar trebui să observați că apa din recipientul interior se varsă în recipientul exterior.

În scopul exemplului nostru, să spunem că punem o mașină de jucărie de masă de 0,05 lire în containerul interior. Nu trebuie să știm volumul mașinii pentru a calcula forța, așa cum vom vedea în continuare.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 10

Colectați și măsurați apa pe care ați vărsat-o. Atunci când submersezi un obiect în apă, apare o deplasare a apei - dacă nu s-ar întâmpla, nu ar mai fi loc să intre în apă. Când împinge lichidul, apa se împinge înapoi, provocând împingerea. Luați apa pe care ați vărsat-o și plasați-o într-o ceașcă de măsurare. Volumul apei trebuie să fie egal cu cel al volumului scufundat.

Cu alte cuvinte, dacă obiectul dvs. plutește, volumul apei pe care îl vărsați va fi egal cu volumul obiectului scufundat în apă. Dacă obiectul dvs. se scufunda, volumul de apă pe care îl vărsați este egal cu volumul întregului obiect.

Se calculează greutatea apei vărsate. Deoarece cunoașteți densitatea apei și puteți măsura volumul care a fost vărsat, este posibil să găsiți masa. Pur și simplu transformați volumul în metri³ (un instrument de conversie online, cum ar fi aici, pot fi utile) și se înmulțește cu densitatea apei (1000 kg / metru³).

În exemplul nostru, să spunem că coșul nostru sa scufundat și a deplasat aproximativ două linguri (0.00003 de metri³). Pentru a găsi masa apei, se înmulțește cu densitatea ei: 1000 kg / metri³ × 0.00003 metri³ = 0,03 kg.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 12

Comparați volumul deplasat cu masa obiectului. Acum, că cunoașteți masa subterană și masa strămutată, comparați-o pentru a vedea care dintre ele este mai mare. Dacă masa obiectului scufundat în vasul interior este mai mare decât masa de apă deplasată, acesta trebuie să fi scufundat. Dar dacă masa deplasată de apă este mai mare decât, obiectul trebuie să plutească. Acesta este principiul împingerii - pentru ca un obiect să plutească, trebuie să se deplaseze o masă de apă mai mare decât cea a obiectului.

Totuși, obiectele cu mase mai mici, dar volume mai mari sunt obiectele care plutesc cel mai mult. Această proprietate înseamnă că obiectele goale plutesc. Gândiți-vă la o canoe - aceasta plutește deoarece este goală, astfel încât poate deplasa multă apă fără a avea nevoie de o masă mare. Dacă canoe era solidă, nu ar pluti bine.
În exemplul nostru, masina are o masă de 0,05 kg, mai mare decât apa deplasată, 0,03 kg. Acest lucru confirmă rezultatul nostru: mașina se scufunda.