Forța plutitoare este o forță opusă gravitației, care afectează toate obiectele scufundate într-un fluid. Când un obiect este plasat într-un fluid, masa obiectului se presează împotriva fluidului (lichid sau gaz), în timp ce forța plutitoare împinge obiectul împotriva gravitației. În termeni generali, această forță plutitoare poate fi calculată prin ecuație FA = Vt × × g, cu FA este forța plutitoare, Vt este volumul obiectului scufundat, este densitatea fluidului și g este forța gravitațională. Pentru a afla cum să determinați flotabilitatea unui obiect, consultați Pasul 1 de mai jos pentru a începe.
Etapa
Metoda 1 din 2: Utilizarea ecuației flotabilității
Pasul 1. Găsiți volumul părții scufundate a obiectului
Forța plutitoare care acționează asupra unui obiect este proporțională cu volumul obiectului scufundat. Cu alte cuvinte, cu cât este mai mare partea solidă scufundată a obiectului, cu atât este mai mare forța flotantă care acționează asupra obiectului. Aceasta înseamnă că obiectele care sunt scufundate într-un lichid, au o forță plutitoare care împinge obiectul în sus. Pentru a începe calcularea forței plutitoare care acționează asupra unui obiect, primul dvs. pas este de obicei să determinați volumul obiectului scufundat în fluid. Pentru ecuația flotabilității, această valoare ar trebui să fie în metri3.
- Pentru un obiect complet scufundat într-un fluid, volumul scufundat este egal cu volumul obiectului în sine. Pentru obiectele care plutesc deasupra suprafeței fluidului, se calculează doar volumul de sub suprafață.
- De exemplu, să presupunem că vrem să găsim forța flotantă care acționează asupra unei bile de cauciuc plutind pe apă. Dacă bila de cauciuc este o sferă perfectă cu diametrul de 1 m și plutește cu jumătate din ea scufundată sub apă, putem găsi volumul porțiunii scufundate găsind volumul total al sferei și împărțind la două. Deoarece volumul sferei este (4/3) (raza)3, știm că volumul sferei noastre este (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metri3. 0, 524/2 = 0,262 metri3 chiuvetă.
Pasul 2. Găsiți densitatea fluidului
Următorul pas în procesul de găsire a flotabilității este definirea densității (în kilograme / metru3) a fluidului în care este scufundat obiectul. Densitatea este o măsurare a masei unui obiect sau a unei substanțe în raport cu volumul său. Dacă i se dau două obiecte cu același volum, obiectul cu densitatea mai mare va avea mai multă masă. Conform regulii, cu cât este mai mare densitatea fluidului în care obiectul este scufundat, cu atât este mai mare forța flotantă. Cu fluidele, de obicei cel mai simplu mod de a determina densitatea este pur și simplu să-l căutați într-un material de referință.
- În exemplul nostru, mingea noastră plutește în apă. Privind în surse academice, putem constata că apa are o densitate de aprox. 1.000 de kilograme / metru3.
- Alte densități de fluide utilizate pe scară largă sunt enumerate în sursele tehnice. Una dintre liste poate fi găsită aici.
Pasul 3. Găsiți forța gravitației (sau o altă forță descendentă)
Fie că un obiect se scufundă sau plutește într-un fluid, acesta are întotdeauna o forță gravitațională. În lumea reală, constanta forței descendente este egală cu 9,81 newtoni / kilogram. Cu toate acestea, în situațiile în care alte forțe, cum ar fi forța centrifugă, acționează asupra fluidului și obiectului scufundat în el, această forță trebuie luată în considerare și pentru a determina forța netă descendentă pentru întregul sistem.
- În exemplul nostru, lucrăm cu un sistem obișnuit, static, deci putem presupune că singura forță descendentă care acționează asupra fluidelor și obiectelor este forța gravitațională generală - 9,81 newtoni / kilogram.
- Cu toate acestea, ce se întâmplă dacă mingea noastră, care plutește într-o găleată de apă, este rotită într-un cerc în direcție orizontală la viteză mare? În acest caz, presupunând că găleata este legată suficient de repede încât apa și mingea nu se varsă, forța descendentă în această situație va fi derivată din forța centrifugă creată de oscilația găleții, nu din gravitația Pământului.
Pasul 4. Înmulțiți volumul × densitatea × gravitația
Dacă aveți valoarea volumului obiectului dvs. (în metri3), densitatea fluidului dvs. (în kilograme / metru3), și forța de greutate (forța descendentă a sistemului dvs.), deci găsirea flotabilității este foarte ușoară. Înmulțiți aceste trei valori pentru a găsi forța plutitoare în newtoni.
Să rezolvăm problema noastră de exemplu prin conectarea valorilor noastre la ecuația FA = Vt × × g. FA = 0,262 metri3 × 1.000 kilograme / metru3 × 9,81 newtoni / kilogram = 2.570 newtoni.
Pasul 5. Vedeți dacă obiectul dvs. plutește comparând flotabilitatea cu forța gravitațională
Folosind ecuația de flotabilitate, este ușor să găsiți forța care împinge un obiect în sus și în afara fluidului. Cu toate acestea, cu puțin efort suplimentar, este, de asemenea, posibil să se determine dacă un obiect va pluti sau se va scufunda. Găsiți doar forța plutitoare pentru întregul obiect (cu alte cuvinte, utilizați întregul volum pentru valoarea lui Vt), apoi găsiți forța gravitațională împingând-o în jos cu ecuația G = (masa obiectului) (9,81 metri / secundă2). Dacă forța flotantă este mai mare decât forța gravitațională, obiectul va pluti. Pe de altă parte, dacă forța gravitațională este mai mare decât forța plutitoare, obiectul se va scufunda. Dacă mărimile sunt aceleași, se spune că obiectul pluteste.
-
De exemplu, să spunem că vrem să știm dacă un butoi cilindric din lemn cu o masă de 20 de kilograme și un diametru de 0,75 m și o înălțime de 1,25 m va pluti în apă. Această problemă va urma mai mulți pași:
- Putem găsi volumul cu formula pentru volumul cilindrului V = (raza)2(înalt). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metri3.
- Apoi, presupunând că magnitudinea gravitației este obișnuită și cea a apei cu densitate obișnuită, putem găsi forța plutitoare a butoiului. 0,55 metri3 × 1000 kilograme / metru3 × 9,81 newtoni / kilogram = 5.395, 5 newtoni.
- Acum, trebuie să găsim forța gravitațională a butoiului. G = (20 kg) (9,81 metri / secundă2) = 196,2 newtoni. Această forță este mai mică decât forța plutitoare, astfel încât butoiul va pluti.
Pasul 6. Folosiți aceeași abordare dacă fluidul dvs. este un gaz
Când lucrați la probleme de flotabilitate, nu uitați că fluidul în care este scufundat obiectul nu trebuie să fie un lichid. Gazele sunt, de asemenea, fluide și, deși gazele au o densitate foarte scăzută în comparație cu alte substanțe, ele încă pot susține anumite mase de obiecte care plutesc în gaz. Un simplu balon de heliu este dovada acestui lucru. Deoarece gazul din balon este mai puțin dens decât fluidul din jur (aerul înconjurător), balonul plutește!
Metoda 2 din 2: Efectuarea unui experiment simplu de flotabilitate
Pasul 1. Așezați un castron mic sau o ceașcă într-un castron mai mare
Cu unele obiecte de uz casnic, este ușor să vedeți principiile flotabilității în experiment! În acest experiment simplu, vom demonstra că un obiect scufundat experimentează o forță plutitoare deoarece deplasează un volum de fluid egal cu volumul obiectului scufundat. Pe măsură ce facem acest lucru, vom demonstra, de asemenea, o modalitate practică de a găsi forța plutitoare a unui obiect cu acest experiment. Pentru început, așezați un recipient mic, deschis, cum ar fi un castron sau o ceașcă, într-un recipient mai mare, cum ar fi un castron mare sau o găleată.
Pasul 2. Umpleți recipientul mic până la refuz
Apoi, umpleți recipientul interior mai mic cu apă. Vrei ca apa să fie la fel de înaltă ca recipientul fără a se vărsa. Fii atent aici! Dacă vărsați apă, goliți recipientul mai mare înainte de a încerca din nou.
- În scopul acestui experiment, este bine să presupunem că apa are o densitate generală de 1000 de kilograme / metru3. Dacă nu utilizați apă de mare sau un lichid complet diferit, majoritatea tipurilor de apă au aproape aceeași densitate ca această valoare de referință, astfel încât o mică diferență nu ne va schimba rezultatele.
- Dacă aveți picături pentru ochi, acest lucru poate fi foarte util pentru ridicarea nivelului apei într-un recipient mic.
Pasul 3. Scufundați obiectul mic
Apoi, căutați un obiect mic care să încapă într-un recipient mic și să nu fie deteriorat de apă. Găsiți masa acestui obiect în kilograme (poate doriți să utilizați o cântare sau un echilibru care poate lua grame și le poate converti în kilograme). Apoi, fără a vă uda degetele, încet, dar sigur, scufundați obiectul în apă până începe să plutească sau îl puteți ține ușor și apoi eliberați-l. Veți observa că o parte din apa din recipientul mic se va vărsa în recipientul exterior.
În scopul exemplului nostru, să presupunem că scufundăm o mașină de jucărie cu o masă de 0,05 kilograme într-un container mic. Nu este nevoie să cunoaștem volumul acestei mașini pentru a-i calcula flotabilitatea, deoarece vom vedea asta în pasul următor
Pasul 4. Adună și numără apa vărsată
Când scufundați un obiect în apă, acesta deplasează o parte din apă - altfel nu va fi nici un loc unde să puneți obiectul în apă. Când un obiect împinge apa în afară, apa se împinge înapoi, creând o forță plutitoare. Luați apa vărsată dintr-un recipient mic și turnați-o într-o ceașcă mică de măsurare. Volumul de apă din ceașcă de măsurare este egal cu volumul obiectului scufundat.
Cu alte cuvinte, dacă obiectul dvs. plutește, volumul de apă care se varsă va fi egal cu volumul obiectului care este scufundat sub suprafața apei. Dacă obiectul dvs. se scufundă, volumul de apă care se varsă este egal cu volumul total al obiectului
Pasul 5. Calculați masa apei vărsate
Deoarece cunoașteți densitatea apei și puteți măsura volumul de apă care se varsă în ceașca de măsurare, puteți găsi masa acesteia. Doar schimbați volumul la metri3 (ajutoarele de conversie online, ca acesta, pot ajuta) și se înmulțesc cu densitatea apei (1.000 de kilograme / metru)3).
În exemplul nostru, să presupunem că mașina noastră de jucărie se scufundă într-un container mic și se mișcă aproximativ două linguri (0,0003 metri)3). Pentru a găsi masa apei noastre, o vom înmulți cu densitatea sa: 1.000 de kilograme / metru3 × 0,0003 metri3 = 0,03 kilograme.
Pasul 6. Comparați masa apei vărsate cu masa obiectului
Acum, că știți masa obiectului pe care îl scufundați în apă și masa apei care s-a vărsat, comparați-le pentru a vedea ce masă este mai mare. Dacă masa unui obiect scufundat într-un recipient mic este mai mare decât apa vărsată, obiectul se va scufunda. Pe de altă parte, dacă masa apei deversate este mai mare, obiectul va pluti. Acesta este principiul plutirii în experiment - pentru ca un obiect să plutească, acesta trebuie să deplaseze o cantitate de apă cu o masă mai mare decât masa obiectului în sine.
- Astfel, obiectele cu masă mică, dar cu volum mare, sunt tipurile de obiecte care plutesc cel mai ușor. Această proprietate înseamnă că obiectele goale plutesc foarte ușor. Imaginați-vă o canoe - canoe plutește bine, deoarece este goală în interior, astfel încât poate muta multă apă fără a fi nevoie să aibă o masă mare. Dacă canoe-ul nu este gol (solid), atunci canoe-ul nu va pluti corect.
- În exemplul nostru, mașina are o masă mai mare (0,05 kilograme) decât apa vărsată (0,03 kilograme). Acest lucru este de acord cu ceea ce observăm: mașinile se scufundă.
