Jak obliczyć siłę pływającą: 12 kroków (ze zdjęciem) - Wskazówki

Wideo: Jak obliczyć siłę grawitacji? / Isaac Newton & gravity

Zawartość

Kroki
Rada
Czego potrzebujesz

Siła pływająca to siła działająca na obiekt zanurzony w płynie w kierunku przeciwnym do grawitacji. Kiedy obiekt jest umieszczony w płynie, jego ciężar wypycha płyn (ciecz lub gaz) w dół, podczas gdy siła wyporu wypycha obiekt w górę, w kierunku przeciwnym do grawitacji. Ogólnie rzecz biorąc, wypór można obliczyć za pomocą równań fa_b = V_S × D × g, w którym F_b jest wyporność, V_S to objętość zanurzonej części, D to gęstość płynu otaczającego obiekt, a g to grawitacja. Aby dowiedzieć się, jak określić wyporność obiektu, zacznij od kroku 1 poniżej.

Kroki

Metoda 1 z 2: Użyj równania siły pływającej

Znajdź objętość zanurzona część obiektu. Wypór działający na obiekt jest bezpośrednio skorelowany z zanurzoną objętością obiektu. Innymi słowy, im większy opad ciała stałego, tym silniejsza oddziałuje na niego siła wyporu. Oznacza to, że nawet jeśli obiekt jest całkowicie zanurzony w cieczy, nadal działa na niego siła wyporu. Aby rozpocząć obliczanie siły wyporu działającej na obiekt, pierwszym krokiem jest zwykle określenie objętości objętości nasączonej płynem. W równaniu siły pływającej wartość tę należy zapisać w m.
- W przypadku obiektu całkowicie zanurzonego w płynie objętość do zatonięcia będzie równa objętości samego obiektu. W przypadku supernatantu płynu rozważamy tylko ułamek objętościowy poniżej powierzchni płynu.
- Na przykład, powiedzmy, że chcemy znaleźć siłę wyporu działającą na gumową kulkę unoszącą się w wodzie. Jeśli kula jest idealną kulą o średnicy 1 mi pływa z zanurzeniem dokładnie w połowie, możemy obliczyć objętość części zanurzonej, obliczając objętość całej kuli i dzieląc ją na pół. Ponieważ objętość kuli wynosi (4/3) π (promień), objętość kuli wynosi (4/3) π (0,5) = 0,524 m. 0,524 / 2 = 0,262 m został zatopiony.
Znajdź gęstość płynu. Kolejnym krokiem w znalezieniu siły pływającej jest określenie gęstości (w kg / m) otaczającej cieczy. Gęstość jest wielkością mierzoną jako stosunek masy materii lub materii do odpowiadającej jej objętości. W przypadku dwóch obiektów o równej objętości obiekt o większej gęstości będzie cięższy. Ogólna praktyczna zasada jest taka, że im większa gęstość płynu, tym większa siła wyporu będzie wywierać na ciało, które w nim tonie. W przypadku płynów zwykle najłatwiejszym sposobem określenia gęstości są odniesienia.
- W powyższym przykładzie kula pływa w wodzie. Odniesienie do literatury naukowej mówi nam, że woda ma określoną gęstość 1000 kg / m.
- Gęstość wielu popularnych płynów jest podana w literaturze technicznej. Listę tę znajdziesz tutaj.
Znajdź grawitację (lub inną siłę w kierunku w dół). Niezależnie od tego, czy obiekt tonie, czy pływa w płynie, zawsze podlega grawitacji. W rzeczywistości ta stała siły skierowanej w dół wynosi około 9,81 niutonów / kilogram. Jednak w przypadkach, gdy na płyn działa inna siła i ciało w nim tonie, na przykład siła promieniowa, musimy również wziąć pod uwagę tę siłę przy obliczaniu całkowitej siły „skierowanej w dół” dla całego układu.
- W powyższym przykładzie, jeśli mamy normalny układ statyczny, można założyć, że jedyną siłą skierowaną w dół działającą na płyn i ciało jest standardowa grawitacja - 9,81 niutonów / kilogram.
Pomnóż objętość przez gęstość i grawitację. Mając wartości dotyczące objętości obiektu (wm), gęstości płynu (w kg / m) i grawitacji (lub siły działającej w dół systemu niuton / kilogram), znalezienie wyporności staje się łatwe. . Po prostu potrój te wartości, aby znaleźć siłę pływającą w niutonach.
- Rozwiąż przykładowy problem, wstawiając wartości do równania F._b = V_S × D × g. fa_b = 0,262 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 2570 niutonów. Pozostałe jednostki unicestwiłyby się nawzajem, pozostawiając tylko jednostkę Newtona.
Określ, czy obiekt unosi się, czy nie, porównując z grawitacją. Korzystając z równania na wypór, z łatwością znajdziesz siłę, która wypycha obiekt z cieczy. Możesz jednak również określić, czy materiał unosi się, czy tonie w płynie, wykonując jeden dodatkowy krok. Znajdź siłę pływającą działającą na całe ciało (to znaczy użyj całej objętości ciała V._S), a następnie znajdź grawitację, która przyciąga obiekt, za pomocą równania G = (masa obiektu) (9,81 m / s). Jeśli siła unoszenia jest większa niż grawitacja, obiekt unosi się. Z drugiej strony, jeśli grawitacja jest większa, obiekt tonie. Jeśli te dwie siły są równe, mówimy to zawieszony.
- W wodzie zawieszony przedmiot nie będzie unosił się nad wodą ani opadał na dno. Będzie zawieszony w cieczy między powierzchnią a dnem.
- Na przykład, powiedzmy, że chcemy wiedzieć, czy 20-kilogramowa cylindryczna drewniana skrzynia o średnicy 0,75 metra i wysokości 1,25 metra może unosić się w wodzie. W przypadku tego problemu musimy wykonać kilka kroków:
  - Pierwszym jest znalezienie objętości za pomocą wzoru na objętość walca V = π (promień) (wysokość). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 m.
  - Następnie, zakładając, że znamy standardową grawitację i gęstość wody, obliczamy siłę pływającą działającą na lufę. 0,55 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 5 395,5 Newtona.
  - Teraz musimy znaleźć grawitację działającą na drewnianą skrzynię. G = (20 kg) (9,81 m / s) = 196,2 Newtona. Wynik ten jest znacznie mniejszy niż siła wyporu, więc lufa będzie pływać.
Zastosuj te same obliczenia, gdy płyn jest gazem. Rozwiązując problemy z pływalnością nie zapominaj, że płyn nie musi być cieczą. Gazy są również znane jako płyny, mimo że mają bardzo małą gęstość w porównaniu z innymi rodzajami materii, a gaz może nadal odpychać niektóre unoszące się w nim obiekty. Dowodem na to jest pęcherzyk helu. Ponieważ hel w bańce jest lżejszy niż otaczający go płyn (powietrze), bańka odleci! Reklama

Metoda 2 z 2: Przeprowadź prosty eksperyment z siłą pływającą

Umieść małą miskę w większej. Mając zaledwie kilka obiektów w domu, z łatwością zobaczysz efekty wyporu w praktyce. W tym eksperymencie pokazujemy, że zanurzony obiekt będzie cierpieć z powodu wyporu, ponieważ zastępuje on ilość płynu równą objętości zanurzonego obiektu. W trakcie wykonywania eksperymentów pokazujemy również, jak w praktyce wyznaczyć siłę pływającą obiektu. Najpierw umieść mały pojemnik bez nakrętki, taki jak miska lub filiżanka, w większym pojemniku, takim jak duża miska lub wiadro z wodą.
Napełnij wodą mały pojemnik od krawędzi do krawędzi. Wodę należy wylewać blisko krawędzi, nie rozlewając jej. Uważaj na tym kroku! Jeśli pozwolisz wodzie się przelać, musisz całkowicie opróżnić duży pojemnik, a następnie zacząć od nowa.
- W tym eksperymencie zakładamy, że woda ma gęstość 1000 kg / m. O ile nie używasz solanki lub zupełnie innej cieczy, większość wód ma gęstość bliską tej wartości odniesienia, więc nie będzie to miało wpływu na wyniki.
- Jeśli masz zakraplacz, możesz go użyć do kapania wody do wewnętrznego pojemnika, tak aby poziom wody sięgał krawędzi.
Zanurz mały przedmiot. Następnie poszukaj przedmiotu, który zmieści się do małego pojemnika bez uszkodzenia przez wodę. Znajdź wagę tego obiektu w kilogramach (do odczytu należy użyć skali w gramach, a następnie przeliczyć ją na kilogramy). Następnie powoli wciskaj przedmiot do wody, nie mocząc palca, aż zacznie pływać lub ledwo będziesz mógł go przytrzymać, a następnie zwolnij przedmiot. Powinieneś zobaczyć trochę wody wyciekającej z krawędzi pojemnika wewnętrznego do pojemnika zewnętrznego.
- W tym przykładzie załóżmy, że wciskamy autko o wadze 0,05 kg do jego wewnętrznego pojemnika. Nie musimy znać objętości samochodu, aby obliczyć wyporność, co dowiemy się w następnym kroku.
Zbierz i zmierz przelewanie się wody. Kiedy wciskasz jakiś przedmiot do wody, zastępuje trochę wody - w przeciwnym razie nie ma miejsca, abyś mógł zanurzyć go w wodzie. Kiedy wypycha wodę ze ścieżki, woda odpycha i tworzy pływalność. Zbierz rozlaną wodę z wewnętrznego pojemnika i wlej ją do małej miarki. Objętość wody w zlewce powinna być równa objętości zanurzonego przedmiotu.
- Innymi słowy, jeśli obiekt unosi się na wodzie, objętość przelewającej się wody będzie równa objętości obiektu zanurzonego pod powierzchnią wody. Jeśli obiekt tonie, objętość przelewającej się wody będzie równa objętości całego obiektu.
Oblicz ilość rozlanej wody. Ponieważ znasz gęstość wody i potrafisz zmierzyć objętość wody przelewającej się do miarki, obliczysz objętość wody. Przelicz objętość na m (może tu pomóc przelicznik jednostek online, taki jak ten) i pomnóż go przez gęstość wody (1000 kg / m).
- W powyższym przykładzie załóżmy, że samochodzik jest zanurzony w swoim wewnętrznym pojemniku i zajmuje około 2 łyżek (0,00003 m) wody. Aby znaleźć masę wody, pomnóż ją przez gęstość: 1000 kg / m × 0,00003 m = 0,03 kg.
Porównaj objętość wypartej wody z masą obiektu. Teraz, gdy znasz masy zarówno wody zanurzonej, jak i wypartej, porównaj te dwie wartości. Jeśli masa obiektu jest większa niż objętość wypartej wody, obiekt tonie. Z drugiej strony, jeśli objętość wypartej objętości wody jest większa, obiekt unosi się. Taka jest zasada wyporu w praktyce - dla ciała pływającego musi on wypierać większą masę wody niż masa samego ciała.
- Dlatego obiekty lekkie, ale o dużej objętości są najlepszymi obiektami pływającymi. Ta właściwość wskazuje, że puste obiekty mogą bardzo dobrze unosić się na wodzie. Rzućmy okiem na kajak - dobrze pływa, bo jest w środku wydrążony, więc może zabrać dużo wody, ale masa nie jest zbyt ciężka. Gdyby kajak był gruby w środku, nie byłby w stanie pływać.
- W powyższym przykładzie pojazd o masie 0,05 kg jest większy niż objętość wypartej wody o 0,03 kg. Jest to zgodne z tym, co obserwujemy: samochód zatonął.
Reklama