Плаващата сила е сила, противоположна на гравитацията, която въздейства върху всички обекти, потопени в течност. Когато обект е поставен в течност, масата на обекта се притиска към течността (течност или газ), докато плаващата сила натиска обекта срещу гравитацията. Най -общо тази плаваща сила може да бъде изчислена чрез уравнението Fа = VT × × g, с Фа е плаващата сила, VT е обемът на потопения обект, е плътността на течността и g е гравитационната сила. За да научите как да определите плаваемостта на обект, вижте стъпка 1 по -долу, за да започнете.
Стъпка
Метод 1 от 2: Използване на уравнението за плаваемост
Стъпка 1. Намерете обема на потопената част на обекта
Плаващата сила, действаща върху обект, е пропорционална на обема на потопения обект. С други думи, колкото по -голяма е потопената твърда част на обекта, толкова по -голяма е плаващата сила, действаща върху обекта. Това означава, че обектите, потопени в течност, имат плаваща сила, която избутва обекта нагоре. За да започнете да изчислявате плаващата сила, действаща върху обект, първата ви стъпка обикновено е да определите обема на обекта, потопен в течността. За уравнението на плаваемостта тази стойност трябва да бъде в метри3.
- За обект, напълно потопен в течност, потопеният обем е равен на обема на самия обект. За обекти, които плават над повърхността на течността, се изчислява само обемът под повърхността.
- Да предположим например, че искаме да намерим плаващата сила, действаща върху гумена топка, плаваща върху вода. Ако гумената топка е перфектна сфера с диаметър 1 м и плава с половината от нея потопена под вода, можем да намерим обема на потопената част, като намерим общия обем на сферата и разделим на две. Тъй като обемът на сферата е (4/3) (радиус)3, ние знаем, че обемът на нашата сфера е (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 метра3. 0, 524/2 = 0,262 метра3 мивка.
Стъпка 2. Намерете плътността на вашата течност
Следващата стъпка в процеса на намиране на плаваемост е да се определи плътността (в килограми/метър3) на течността, в която е потопен обектът. Плътността е измерване на масата на обект или вещество спрямо неговия обем. Ако са дадени два обекта с еднакъв обем, обектът с по -голяма плътност ще има по -голяма маса. Според правилото, колкото по -голяма е плътността на течността, в която е потопен обектът, толкова по -голяма е плаващата сила. При флуидите обикновено най -лесният начин да се определи плътността е просто да се потърси в справочен материал.
- В нашия пример нашата топка плава във вода. Разглеждайки академични източници, можем да установим, че водата има плътност от прибл. 1000 килограма/метър3.
- Други широко използвани плътности на течности са изброени в инженерни източници. Един от списъците можете да намерите тук.
Стъпка 3. Намерете силата на гравитацията (или някаква друга сила надолу)
Независимо дали обект потъва или плува в течност, той винаги има гравитационна сила. В реалния свят низходящата константа на сила е равна на 9,81 нютона/килограм. Въпреки това, в ситуации, когато други сили, като центробежната сила, действат върху течността и потопения в нея обект, тази сила също трябва да се вземе предвид, за да се определи нетната сила надолу за цялата система.
- В нашия пример работим с обикновена, статична система, така че можем да приемем, че единствената сила надолу, действаща върху течности и обекти, е общата гравитационна сила - 9,81 нютона/килограм.
- Но какво ще стане, ако нашата топка, която плава в кофа с вода, се завърти в кръг в хоризонтална посока с висока скорост? В този случай, ако приемем, че кофата се размахва достатъчно бързо, че водата и топката не се разливат, силата надолу в тази ситуация ще се извлече от центробежната сила, създадена от люлеенето на кофата, а не от гравитацията на Земята.
Стъпка 4. Умножете обем × плътност × гравитация
Ако имате стойността на обема на вашия обект (в метри3), плътността на вашата течност (в килограми/метър3) и силата на гравитацията (силата надолу върху вашата система), така че намирането на плаваемост е много лесно. Просто умножете тези три стойности, за да намерите плаващата сила в нютоните.
Нека решим нашия примерен проблем, като включим нашите стойности в уравнението Fа = VT × × g. Fа = 0,262 метра3 × 1000 килограма/метър3 × 9,81 нютона/килограм = 2570 нютона.
Стъпка 5. Вижте дали вашият обект плава, като сравнявате плаваемостта с гравитационната сила
Използвайки уравнението за плаваемост, е лесно да се намери силата, която изтласква обект нагоре и навън от течността. Въпреки това, с малко допълнителни усилия, също е възможно да се определи дали даден обект ще плува или ще потъне. Просто намерете плаващата сила за целия обект (с други думи, използвайте целия обем за стойността на VT), след това намерете гравитационната сила, която я натиска надолу с уравнението G = (маса на обекта) (9,81 метра/секунда)2). Ако плаващата сила е по -голяма от гравитационната, обектът ще плава. От друга страна, ако гравитационната сила е по -голяма от плаващата сила, обектът ще потъне. Ако величините са еднакви, обектът се казва, че плава.
-
Например, да речем, че искаме да знаем дали дървена цилиндрична цев с маса 20 килограма и диаметър 0,75 м и височина 1,25 м ще плава във вода. Този проблем ще използва няколко стъпки:
- Можем да намерим обема с формулата за обема на цилиндъра V = (радиус)2(висок). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 метра3.
- След това, приемайки, че величината на гравитацията е обикновена и тази на водата с обикновена плътност, можем да намерим плаващата сила на цевта. 0,55 метра3 × 1000 килограма/метър3 × 9,81 нютона/килограм = 5 395, 5 нютона.
- Сега трябва да намерим гравитационната сила на цевта. G = (20 кг) (9,81 метра/секунда)2) = 196,2 нютона. Тази сила е по -малка от плаващата сила, така че цевта ще плава.
Стъпка 6. Използвайте същия подход, ако течността ви е газ
Когато работите по проблеми с плаваемостта, не забравяйте, че течността, в която е потопен обектът, не трябва да е течност. Газовете също са течности и въпреки че газовете имат много ниска плътност в сравнение с други вещества, те все още могат да поддържат определени маси от обекти, плаващи в газа. Прост хелиев балон е доказателство за това. Тъй като газът в балона е по -малко плътен от околната течност (околен въздух), балонът плува!
Метод 2 от 2: Извършване на прост експеримент за плаваемост
Стъпка 1. Поставете малка купа или чаша в по -голяма купа
С някои домакински предмети е лесно да се видят принципите на плаваемостта в експеримент! В този прост експеримент ще покажем, че потопеният обект изпитва плаваща сила, тъй като измества обем течност, равен на обема на потопения обект. Докато правим това, ние също ще демонстрираме практичен начин за намиране на плаващата сила на обект с този експеримент. За да започнете, поставете малък, отворен съд, като купа или чаша, в по -голям съд, като например голяма купа или кофа.
Стъпка 2. Напълнете малкия контейнер до ръба
След това напълнете по -малкия вътрешен контейнер с вода. Искате водата да е толкова висока, колкото контейнера, без да се разлива. Внимавайте тук! Ако разлеете вода, изпразнете по -големия контейнер, преди да опитате отново.
- За целите на този експеримент е добре да приемем, че водата има обща плътност от 1000 килограма/метър3. Освен ако не използвате морска вода или напълно различна течност, повечето видове вода имат почти същата плътност като тази референтна стойност, така че малка разлика няма да промени резултатите ни.
- Ако имате капки за очи, това може да бъде много полезно за повишаване нивото на водата в малък съд.
Стъпка 3. Потопете малкия обект
След това потърсете малък предмет, който ще се побере в малък контейнер и няма да се повреди от водата. Намерете масата на този обект в килограми (може да искате да използвате везна или везна, която може да отнеме грамове и да ги преобразува в килограми). След това, без да мокрите пръстите си, бавно, но сигурно потопете обекта във водата, докато започне да плува или можете да го задържите леко и след това да го освободите. Ще забележите, че част от водата в малкия контейнер ще се разлее във външния контейнер.
За целите на нашия пример, да предположим, че потапяме кола -играчка с маса 0,05 килограма в малък контейнер. Не е нужно да знаем обема на тази кола, за да изчислим нейната плаваемост, защото ще видим това в следващата стъпка
Стъпка 4. Съберете и пребройте разлятата вода
Когато потопите обект във вода, той измества част от водата - в противен случай няма да има място за поставяне на обекта във водата. Когато обект изтласква водата, водата се изтласква назад, създавайки плаваща сила. Вземете разлятата вода от малък съд и я изсипете в малка мерителна чаша. Обемът на водата в мерителната чаша е равен на обема на потопения обект.
С други думи, ако вашият обект плава, обемът на водата, която се излива, ще бъде равен на обема на обекта, който е потопен под повърхността на водата. Ако обектът ви потъне, обемът на водата, която се излива, е равен на общия обем на обекта
Стъпка 5. Изчислете масата на разлятата вода
Тъй като знаете плътността на водата и можете да измерите обема на водата, която се разлива в мерителната чаша, можете да намерите нейната маса. Просто променете силата на звука на метри3 (помощните средства за онлайн преобразуване, като тази, могат да помогнат) и се умножават по плътността на водата (1000 килограма/метър3).
В нашия пример, да предположим, че нашата играчка кола потъва в малък контейнер и се движи около две супени лъжици (0,0003 метра)3). За да намерим масата на нашата вода, ще я умножим по нейната плътност: 1000 килограма/метър3 × 0,0003 метра3 = 0,03 килограма.
Стъпка 6. Сравнете масата на разлятата вода с масата на обекта
Сега, когато знаете масата на обекта, който потапяте във водата, и масата на водата, която се е разляла, сравнете ги, за да видите коя маса е по -голяма. Ако масата на обект, потопен в малък съд, е по -голям от разлятата вода, обектът ще потъне. От друга страна, ако масата на разлятата вода е по -голяма, обектът ще плува. Това е принципът на плаваемост в експеримента - за да плава обект, той трябва да измести количество вода с маса, по -голяма от масата на самия обект.
- По този начин обектите с малка маса, но голям обем са типовете обекти, които плават най -лесно. Това свойство означава, че кухите предмети плават много лесно. Представете си кану - кануто плува добре, тъй като вътре е кухо, така че може да движи много вода, без да се налага да има голяма маса. Ако кануто не е кухо (твърдо), тогава кануто няма да плава правилно.
- В нашия пример колата има по -голяма маса (0,05 килограма) от разлятата вода (0,03 килограма). Това е в съгласие с това, което наблюдаваме: колите потъват.
