Hur man beräknar flytande kraft: 12 steg (med foto) - Tips

Innehåll

Steg
Råd
Vad du behöver

Flytande kraft är den kraft som verkar på ett föremål nedsänkt i vätska i motsatt riktning mot gravitationen. När ett föremål placeras i en vätska trycker föremålets vikt ned vätskan (vätska eller gas) medan flytkraften skjuter föremålet uppåt, i motsatt riktning. I allmänhet kan denna flytkraft beräknas med ekvationer F_b = V_S × D × g, där F_b är flytkraften, V_S är volymen på den nedsänkta delen, D är densiteten hos vätskan som omger objektet och g är allvaret. För att lära dig hur du bestämmer ett objekts flytkraft, börja med steg 1 nedan.

Steg

Metod 1 av 2: Använd den flytande kraftekvationen

Hitta volymen den nedsänkta delen av objektet. Flytförmågan som verkar på föremålet är direkt korrelerad med den nedsänkta volymdelen av föremålet. Med andra ord, ju större handfat på en solid kropp, desto starkare påverkar flytkraften den. Det vill säga, även om objektet är helt nedsänkt i vätskan, verkar det fortfarande en flytkraft på det. För att börja beräkna flytkraften som verkar på ett föremål är det första steget vanligtvis att bestämma volymen som dränks i vätskan. I ekvationen för den flytande kraften måste detta värde skrivas i m.
- För ett objekt som är helt nedsänkt i vätskan kommer volymen som är nedsänkt att vara lika med själva objektets volym. För vätskans supernatant beaktar vi endast volymfraktionen under vätskans yta.
- Låt oss till exempel säga att vi vill hitta flytkraften som verkar på en gummikula som flyter i vatten. Om kulan är en perfekt sfär 1 m i diameter och den flyter med exakt hälften nedsänkt, kan vi hitta volymen på den nedsänkta delen genom att beräkna volymen på hela kulan och dela den i hälften. Eftersom sfärens volym är (4/3) π (radie) har vi kulans volym att vara (4/3) π (0,5) = 0,524 m. 0,524 / 2 = 0,262 m sjönk.
Hitta vätskans densitet. Nästa steg för att hitta flytande kraft är att bestämma densiteten (i kg / m) för den omgivande vätskan. Densitet är en kvantitet mätt genom förhållandet mellan massan av en materia eller en materia och dess motsvarande volym. Med två objekt med lika volym blir objektet med högre densitet tyngre. Den allmänna tumregeln är att ju högre densitet en vätska har, desto större blir flytkraften på kroppen som sjunker i den. Med vätskor är vanligtvis det enklaste sättet att bestämma densiteten genom referenser.
- I exemplet ovan flyter bollen i vattnet. Referensstudielitteraturen berättar att vatten har en specifik densitet 1000 kg / m.
- Densiteten hos många vanliga vätskor anges i den tekniska litteraturen. Du hittar listan här.
Hitta tyngdkraften (eller en annan kraft i nedåtgående riktning). Oavsett om ett objekt sjunker eller flyter i en vätska är det alltid under tyngdkraften. Faktum är att denna nedåtgående kraftkonstant är ungefär 9,81 Newton / kg. I fall där det finns en annan kraft som verkar på vätskan och kroppen sjunker i den, såsom den radiella kraften, måste vi också beakta denna kraft när vi beräknar den totala "nedåtgående" kraften för hela systemet.
- I exemplet ovan, om vi har ett normalt statiskt system, kan det antas att den enda nedåtgående kraften som verkar på vätskan och kroppen är standardgravitationen - 9,81 Newton / kg.
Multiplicera volymen med densitet och tyngdkraft. När du har värdena för objektvolymen (i m), vätskedensiteten (i kg / m) och tyngdkraften (eller Newton / Kilogram-systemets nedåtgående kraft) blir det lätt att hitta den flytande kraften. . Enkelt tredubblas dessa för att hitta den flytande kraften i Newtons.
- Lös exemplet genom att ansluta värdena till ekvationen F_b = V_S × D × g. F_b = 0,262 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 2 570 Newton. De andra enheterna skulle utplåna varandra och lämnade bara Newton-enheten.
Bestäm om objektet är flytande eller inte genom att jämföra med gravitationen. Med hjälp av ekvationen för flytkraft hittar du lätt den kraft som skjuter objektet ut ur vätskan. Du kan dock också avgöra om materialet flyter eller sjunker i vätskan om du tar ett extra steg. Hitta den flytande kraften som verkar på hela kroppen (det vill säga använda hela volymen av kropp V_S), hitta sedan gravitationen som lockar objektet med ekvationen G = (objektets massa) (9,81 m / s). Om den flytande kraften är större än tyngdkraften kommer objektet att flyta. Å andra sidan, om tyngdkraften är större kommer objektet att sjunka. Om dessa två krafter är lika, säger vi saken upphängd.
- Ett hängande föremål flyter inte över vatten eller sjunker till botten medan det är i vatten. Det kommer att hängas upp i vätskan mellan ytan och botten.
- Låt oss till exempel säga att vi vill veta om en 20 kg cylindrisk trälåda med en diameter på 0,75 meter och en höjd av 1,25 meter kan flyta i vatten. Vi måste utföra flera steg för detta problem:
  - Den första är att hitta volym med formeln för cylindervolym V = π (radie) (höjd). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 m.
  - Därefter, förutsatt att vi känner till standardvikt och vattentäthet, löser vi den flytande kraften som verkar på pipan. 0,55 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 5.395,5 Newton.
  - Nu måste vi hitta tyngdkraften som verkar på trälådan. G = (20 kg) (9,81 m / s) = 196.2 Newton. Detta resultat är mycket mindre än flytkraften, så pipan kommer att flyta.
Använd samma beräkning när vätskan är en gas. Glöm inte att vätskan inte behöver vara en vätska när du löser problem med flytkraft. Gaser är också kända som vätskor, även om de har en mycket liten densitet jämfört med andra typer av ämnen, och gas kan fortfarande avvisa några av de flytande föremålen i den. Heliumbubblan är beviset på detta. Eftersom helium i en bubbla är lättare än vätskan runt den (luft), kommer bubblan att flyga iväg! annons

Metod 2 av 2: Utför enkelt experiment på flytande kraft

Lägg en liten skål i en större. Med bara några föremål i huset kommer du enkelt att se effekterna av flytkraft i praktiken. I detta experiment visar vi att när ett föremål är nedsänkt kommer det att drabbas av flytkraften, eftersom det tar plats för den mängd vätska som är lika med volymen för det nedsänkta föremålet. Under processen att göra experiment visar vi också hur man hittar objektets flytkraft i praktiken. Först placerar du en liten behållare utan lock, till exempel en skål eller kopp, i en större behållare som en stor skål eller hink med vatten.
Fyll en liten, kant till kant behållare med vatten. Du måste hälla vattnet nära kanten utan att spilla det. Var försiktig i detta steg! Om du låter vattnet rinna över måste du tömma den stora behållaren helt och börja om.
- För detta experiment antar vi att vattnet har en densitet på 1000 kg / m. Om du inte använder saltlake eller en helt annan vätska har de flesta vatten en densitet som ligger nära detta referensvärde så att resultatet inte påverkas.
- Om du har en dropper kan du droppa vatten i den inre behållaren så att vattennivån är upp till kanten.
Sänk ner ett litet föremål. Leta sedan efter ett föremål som passar bekvämt i en liten behållare utan vattenskador. Hitta vikten i kilogram för detta objekt (du bör använda skalan för avläsning i gram och sedan konvertera den till kilogram). Tryck sedan långsamt objektet i vattnet utan att få fingret blött tills det börjar flyta eller du knappt kan hålla det och släpp sedan föremålet. Du bör se lite vatten spilla över kanten på den inre behållaren i den yttre behållaren.
- För det här exemplet, låt oss säga att vi trycker in en 0,05 kg leksaksbil i sin inre behållare. Vi behöver inte veta bilens volym för att beräkna flytkraften, som vi vet i nästa steg.
Samla och mät vattenflödet. När du trycker ett föremål i vattnet tar det plats för lite vatten - annars finns det inget utrymme för dig att doppa det i vattnet. När det skjuter vatten ut ur stigen, stöter vattnet tillbaka och skapar flytkraft. Samla upp det spillda vattnet från den inre behållaren och häll det i den lilla mätkoppen. Volymen vatten i koppen ska vara lika med volymen på det nedsänkta föremålet.
- Med andra ord, om objektet flyter kommer volymen av vatten som överflödar att vara lika med volymen på objektet som sänks ned under vattenytan. Om objektet sjunker kommer vattenvolymen att vara lika med volymen för hela objektet.
Beräkna mängden vatten som spillts ut. Eftersom du känner till vattnets densitet och kan mäta volymen av vatten som rinner över i en mätkopp, beräknar du vattenvolymen. Konvertera volymen till m (en online-enhetsomvandlare som den här kan hjälpa till här) och multiplicera den med vattentätheten (1000 kg / m).
- Antag i exemplet ovan att leksaksbilen är nedsänkt i sin inre behållare och upptar cirka 2 matskedar (0,00003 m) vatten. För att hitta vattenmassan, multiplicera den med densitet: 1000 kg / m × 0,00003 m = 0,03 kg.
Jämför volymen på förskjutet vatten och objektets massa. Nu när du känner till massorna av både det nedsänkta och det fördrivna vattnet, jämför dessa två värden. Om massan av objektet är större än volymen vatten som förskjuts, kommer objektet att sjunka. Å andra sidan, om volymen på den förskjutna vattenvolymen är större, kommer objektet att flyta. Detta är principen för flytkraft i praktiken - för en flytande kropp måste den förskjuta en vattenmassa som är större än kroppens massa.
- Därför är föremål som är lätta men stora i volym de bästa flytande föremålen. Den här egenskapen indikerar att ihåliga föremål kan flyta mycket bra. Låt oss titta på kanoten - den flyter bra eftersom den är ihålig inuti, så den kan ta upp mycket vatten men massan är inte för tung. Om kanoten var tjock inuti skulle den inte kunna flyta bra.
- I exemplet ovan har fordonet en massa på 0,05 kg större än en vattenmassa som förskjutits med 0,03 kg. Detta är i linje med vad vi observerar: bilen har sjunkit.
annons