Выталкивающая сила - это сила, противоположная силе тяжести, которая воздействует на все объекты, погруженные в жидкость. Когда объект помещается в жидкость, масса объекта давит на жидкость (жидкость или газ), в то время как выталкивающая сила толкает объект против силы тяжести. В общих чертах эта подъемная сила может быть рассчитана по уравнению Fа = Vт × × г, с Fа - подъемная сила, Вт - объем погруженного объекта, - плотность жидкости, а g - сила тяжести. Чтобы узнать, как определить плавучесть объекта, см. Шаг 1 ниже, чтобы начать работу.
Шаг
Метод 1 из 2: Использование уравнения плавучести
Шаг 1. Найдите объем погруженной части объекта
Выталкивающая сила, действующая на объект, пропорциональна объему погруженного объекта. Другими словами, чем больше погруженная твердая часть объекта, тем больше выталкивающая сила, действующая на объект. Это означает, что предметы, погруженные в жидкость, обладают выталкивающей силой, которая толкает их вверх. Чтобы начать расчет выталкивающей силы, действующей на объект, первым делом обычно нужно определить объем объекта, погруженного в жидкость. Для уравнения плавучести это значение должно быть в метрах.3.
- Для объекта, полностью погруженного в жидкость, погруженный объем равен объему самого объекта. Для объектов, которые плавают над поверхностью жидкости, рассчитывается только объем ниже поверхности.
- Например, предположим, что мы хотим найти выталкивающую силу, действующую на резиновый мяч, плавающий на воде. Если резиновый шар представляет собой идеальную сферу диаметром 1 м и плавает, половина его погружена под воду, мы можем найти объем погруженной части, найдя общий объем сферы и разделив его на два. Поскольку объем сферы равен (4/3) (радиус)3, мы знаем, что объем нашей сферы равен (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 метра3. 0, 524/2 = 0,262 метра3 раковина.
Шаг 2. Найдите плотность вашей жидкости
Следующим шагом в процессе определения плавучести является определение плотности (в килограммах на метр3) жидкости, в которую погружен объект. Плотность - это измерение массы объекта или вещества по отношению к его объему. Если даны два объекта с одинаковым объемом, объект с большей плотностью будет иметь большую массу. Согласно правилу, чем больше плотность жидкости, в которой погружен объект, тем больше выталкивающая сила. В случае жидкостей, как правило, самый простой способ определить плотность - это просто найти ее в справочном материале.
- В нашем примере мяч плавает в воде. Изучая академические источники, мы можем обнаружить, что плотность воды составляет прибл. 1000 килограмм / метр3.
- Другие широко используемые плотности жидкости перечислены в технических источниках. Один из списков можно найти здесь.
Шаг 3. Найдите силу тяжести (или другую направленную вниз силу)
Вне зависимости от того, тонет ли объект в жидкости или плавает в ней, на него всегда действует сила тяжести. В реальном мире постоянная направленной вниз силы равна 9,81 ньютон / килограмм. Однако в ситуациях, когда другие силы, такие как центробежная сила, действуют на жидкость и погруженный в нее объект, эту силу также необходимо принимать во внимание для определения чистой направленной вниз силы для всей системы.
- В нашем примере мы работаем с обычной статической системой, поэтому мы можем предположить, что единственной направленной вниз силой, действующей на жидкости и объекты, является общая гравитационная сила - 9,81 ньютон / килограмм.
- Однако что, если наш шар, плавающий в ведре с водой, раскачивается по кругу в горизонтальном направлении с большой скоростью? В этом случае, если предположить, что ведро качается достаточно быстро, чтобы вода и мяч не разлились, нисходящая сила в этой ситуации будет производиться от центробежной силы, создаваемой качанием ковша, а не от силы тяжести Земли.
Шаг 4. Умножьте объем × плотность × плотность
Если у вас есть значение объема вашего объекта (в метрах3), плотность вашей жидкости (в килограммах на метр3) и сила тяжести (направленная вниз сила, действующая на вашу систему), поэтому найти плавучесть очень легко. Просто умножьте эти три значения, чтобы найти подъемную силу в ньютонах.
Давайте решим наш пример проблемы, подставив наши значения в уравнение Fа = Vт × × г. Fа = 0,262 метра3 × 1000 килограмм / метр3 × 9,81 ньютон / килограмм = 2570 ньютонов.
Шаг 5. Посмотрите, плавает ли ваш объект, сравнив плавучесть с силой тяжести
Используя уравнение плавучести, легко найти силу, которая толкает объект вверх и из жидкости. Однако, приложив немного дополнительных усилий, также можно определить, будет ли объект плавать или тонуть. Просто найдите подъемную силу для всего объекта (другими словами, используйте весь объем для значения Vт), затем найдите силу тяжести, толкающую его вниз, с помощью уравнения G = (масса объекта) (9,81 м / с2). Если подъемная сила больше силы тяжести, объект будет плавать. С другой стороны, если гравитационная сила больше выталкивающей силы, объект утонет. Если величины одинаковы, объект считается плавающим.
-
Например, предположим, мы хотим знать, будет ли в воде плавать деревянная цилиндрическая бочка массой 20 кг, диаметром 0,75 м и высотой 1,25 м. Эта проблема будет состоять из нескольких шагов:
- Объем можно найти по формуле объема цилиндра V = (радиус)2(высокий). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 метра3.
- Затем, предположив, что величина силы тяжести обычная, а сила тяжести воды обычной плотности, мы можем найти подъемную силу бочки. 0,55 метра3 × 1000 килограмм / метр3 × 9,81 ньютон / килограмм = 5395,5 ньютонов.
- Теперь нам нужно найти силу тяжести ствола. G = (20 кг) (9,81 м / с2) = 196,2 ньютона. Эта сила меньше выталкивающей силы, поэтому ствол будет плавать.
Шаг 6. Используйте тот же подход, если ваша жидкость представляет собой газ
Работая над проблемами плавучести, не забывайте, что жидкость, в которую погружен объект, не обязательно должна быть жидкостью. Газы также являются жидкостями, и, хотя газы имеют очень низкую плотность по сравнению с другими веществами, они все же могут поддерживать определенные массы объектов, плавающих в газе. Доказательство тому - простой гелиевый шар. Поскольку газ в воздушном шаре менее плотен, чем окружающая жидкость (окружающий воздух), воздушный шар плавает!
Метод 2 из 2: Проведение простого эксперимента с плавучестью
Шаг 1. Поместите маленькую миску или чашку в большую миску
С некоторыми предметами домашнего обихода легко увидеть в эксперименте принципы плавучести! В этом простом эксперименте мы продемонстрируем, что погруженный объект испытывает выталкивающую силу, потому что он вытесняет объем жидкости, равный объему погруженного объекта. По мере того, как мы это делаем, мы также продемонстрируем практический способ определения выталкивающей силы объекта с помощью этого эксперимента. Для начала поместите небольшую открытую емкость, например миску или чашку, в емкость большего размера, например большую чашу или ведро.
Шаг 2. Наполните небольшую емкость до краев
Затем наполните меньшую внутреннюю емкость водой. Вы хотите, чтобы вода была на высоте контейнера, но не проливалась. Будьте осторожны! Если вы пролили воду, опорожните емкость большего размера, прежде чем пытаться снова.
- Для целей этого эксперимента можно предположить, что общая плотность воды составляет 1000 килограммов / метр.3. Если вы не используете морскую воду или совершенно другую жидкость, большинство типов воды имеют почти такую же плотность, как это эталонное значение, поэтому небольшая разница не повлияет на наши результаты.
- Если у вас есть глазные капли, это может быть очень полезно для повышения уровня воды в небольшой емкости.
Шаг 3. Погрузите небольшой объект
Затем найдите небольшой предмет, который поместится в небольшой контейнер и не будет поврежден водой. Найдите массу этого объекта в килограммах (вы можете использовать весы или весы, которые могут считать граммы и преобразовывать их в килограммы). Затем, не намочив пальцы, медленно, но верно окуните предмет в воду, пока он не начнет плавать, или вы можете слегка подержать его, а затем отпустить. Вы заметите, что часть воды из небольшого контейнера вытечет во внешний контейнер.
Для целей нашего примера предположим, что мы окунаем игрушечную машинку массой 0,05 кг в небольшой контейнер. Нам не нужно знать объем этого автомобиля, чтобы рассчитать его плавучесть, потому что мы увидим это на следующем шаге
Шаг 4. Собрать и подсчитать пролитую воду
Когда вы погружаете объект в воду, он вытесняет часть воды - иначе будет негде положить объект в воду. Когда объект выталкивает воду наружу, вода отталкивается, создавая выталкивающую силу. Возьмите пролитую воду из небольшой емкости и перелейте ее в небольшую мерную чашку. Объем воды в мерной чашке равен объему погруженного объекта.
Другими словами, если ваш объект плавает, объем выплескиваемой воды будет равен объему объекта, погруженного под поверхность воды. Если ваш объект тонет, объем проливаемой воды равен общему объему объекта
Шаг 5. Рассчитайте массу пролитой воды
Поскольку вы знаете плотность воды и можете измерить объем воды, разлитой в мерной чашке, вы можете определить ее массу. Просто измените громкость на метры3 (онлайн-средства преобразования, подобные этому, могут помочь) и умножьте на плотность воды (1000 кг / метр3).
В нашем примере предположим, что наша игрушечная машинка тонет в небольшом контейнере и перемещается примерно на две столовые ложки (0,0003 метра).3). Чтобы найти массу нашей воды, умножим ее на ее плотность: 1000 килограммов / метр.3 × 0,0003 метра3 = 0,03 кг.
Шаг 6. Сравните массу пролитой воды с массой объекта
Теперь, когда вы знаете массу объекта, который вы погружаете в воду, и массу пролитой воды, сравните их, чтобы увидеть, какая масса больше. Если масса объекта, погруженного в небольшой контейнер, больше, чем масса пролитой воды, объект утонет. С другой стороны, если масса пролитой воды больше, объект будет плавать. Это принцип плавучести в эксперименте - чтобы объект плавал, он должен вытеснить количество воды с массой, превышающей массу самого объекта.
- Таким образом, объекты с малой массой, но большим объемом - это те типы объектов, которые легче всего плавают. Это свойство означает, что полые предметы очень легко плавают. Представьте себе каноэ - каноэ хорошо плавает, потому что оно полое внутри, поэтому оно может перемещать много воды, не имея большой массы. Если каноэ не полое (сплошное), то каноэ не будет плавать должным образом.
- В нашем примере автомобиль имеет большую массу (0,05 кг), чем пролитая вода (0,03 кг). Это согласуется с тем, что мы наблюдаем: машины тонут.
