Calculați forța în sus

Forța ascendentă este forța opusă gravitației obiectelor dintr-un lichid. Atunci când un obiect este plasat într-un lichid, greutatea obiectului împinge în jos lichidul (lichid sau gazul) în timp ce o forță în sus împinge împotriva obiectului, împotriva forței gravitației. În general, această forță în sus poate fi calculată cu ajutorul ecuației F_b

conținut

Pași
Metoda 1folosind ecuația forței ascendente
Metoda 2un simplu experiment cu forță în sus
Sfaturi
Accesorii

= V_s × D × g, unde F_b forța în sus este, V_s volumul părții scufundate a obiectului, D densitatea lichidului în care obiectul este scufundat și gravitatea. Pentru a calcula forța ascendentă a unui obiect, puteți citi mai jos la pasul 1.

pași

Metoda 1
Folosind ecuația forței ascendente

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 1

Determinați volumul a părții scufundate a obiectului. Forța ascendentă a unui obiect este direct proporțională cu volumul obiectului scufundat. Cu alte cuvinte, cu cât mai mult un obiect este scufundat, cu atât este mai mare forța ascendentă care acționează asupra acestuia. Aceasta înseamnă că și obiectele care se scufundă în lichid au o forță ascendentă care le împinge în sus. Pentru a calcula forța ascendentă a unui obiect, primul pas este de a determina volumul obiectului care a fost scufundat într-un lichid. Pentru compararea forței ascendente, această valoare trebuie exprimată în metri cubi (m³), A se face referire.

Pentru obiectele care sunt complet scufundate în lichid, volumul apei este egal cu volumul obiectului propriu-zis. Pentru obiectele care plutesc într-un lichid, este inclusă numai volumul sub suprafața lichidului.
Ca exemplu: să spunem că vrem să știm forța ascendentă a unei mingi de cauciuc care plutește în apă. Dacă mingea este o minge perfectă cu un diametru de 1 metru (3.3 ft) și plutește exact la jumătatea drumului în apă, putem găsi volumul părții sub apă determinând volumul întregii mingi, după care luăm jumătate din ea. Deoarece volumul unei sfere este egal cu (4/3) π (raza)³ , știm că volumul mingii este egal cu (4/3) π (0.5)³ = 0,524 m³. 0,524 / 2 = 0,262 m³ sub apă.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 2

Determinați densitatea a lichidului. Următorul pas în procesul de găsire a forței ascendente este definirea densității (în kg / metru³) a lichidului în care obiectul este scufundat. Densitatea este o măsură a greutății unui obiect sau a unei substanțe în raport cu volumul. Cu două obiecte de volum egal, obiectul cu densitate mai mare va cântări mai mult. De regulă, cu cât este mai mare densitatea lichidului în care este scufundat un obiect, cu atât este mai mare forța ascendentă. În cazul lichidelor este în general cea mai ușoară determinare a densității prin căutarea în binare (sau alte lucrări de referință).

În exemplul nostru, mingea plutește în apă. După ce consultăm o carte de referință, știm că apa are o densitate de aproximativ 1000 kg / m³.

Densitatea multor alte lichide comune este menționată în binas (și alte lucrări de referință). Puteți consulta o astfel de listă prin acest site.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 3

Determinați gravitatea (sau altă forță descendentă). Dacă un obiect se scufunda sau plutește într-un lichid, acesta este întotdeauna supus gravitației. În lumea reală, această forță descendentă constantă este egală cu 9,81 Newton / kg. Cu toate acestea, în situațiile în care alte forțe, cum ar fi forța centrifugă, acționează asupra lichidului și a obiectului care se află în el, acest lucru trebuie luat în considerare și în determinarea forței totale "în jos" a întregului sistem.

În exemplul nostru, dacă avem de-a face cu un sistem static simplu, presupunem că numai forța descendentă asupra lichidului și a obiectului submersibil este greutatea standard: 9,81 Newton / kg.

Cu toate acestea, ce se întâmplă dacă bila noastră plutește într-o găleată de apă care este aruncată într-un cerc orizontal cu mare viteză? În acest caz (presupunând că găleata este rotită suficient de rapid pentru a se asigura că atât apa cât și bila nu cad), forța "descendentă" în această situație poate fi derivată din forța centrifugă creată prin oscilație cu galeata, și nu gravitatea.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 4

Volumul multiplicat × densitatea × gravitația. Valorile pentru volumul obiectului (în m³), densitatea lichidului (în kg / m³) și gravitatea (sau forța descendentă în sistem), atunci determinarea forței ascendente este simplă. Doar multiplicați aceste trei valori pentru a determina forța ascendentă în Newton.

Să rezolvăm problema exemplului nostru prin completarea acestor valori în ecuația F_b = V_s × D × g. F_b = 0,262 m³ × 1,000 kg / m³ × 9,81 Newton / kg = 2,570 Newton.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 5

Verificați dacă obiectul dvs. plutește (sau plutește în apă) comparând forța ascendentă cu gravitatea. Folosind ecuația pentru forța ascendentă, este ușor să găsiți forța care împinge un obiect în afară din lichidul în care este scufundat. Cu puțină muncă suplimentară, cu toate acestea, este posibil să se determine dacă obiectul va pluti sau se va scufunda. Determinați forța în sus pentru întregul obiect în acest scop (cu alte cuvinte, luați întregul volum ca V_s) și apoi determina gravitatea care împinge obiectul în jos, cu ecuația G = (masa obiectului) (9,81 m / s²). Dacă forța ascendentă este mai mare decât gravitația, obiectul va pluti. Pe de altă parte, se va scufunda când gravitatea este mai mare. Dacă ele sunt egale, puteți spune că obiectul continuă să "plutească" în lichid.

De exemplu, să spunem că vrem să știm dacă un butoi de lemn cilindric de 20 de kilograme și un diametru de 0,75 m și o înălțime de 1,25 m va continua să plutească în apă. Acest lucru necesită mai mulți pași:

Se determină volumul cu formula pentru volumul unui cilindru, V = π (raza)²(Înălțime). V = π (0,375)²(1,25) = 0,55 metri³.

Apoi putem rezolva forța ascendentă a vasului (presupunând gravitația standard și apa cu densitate obișnuită). 0,55 m³ × 1000 kg / m³ × 9,81 newton / kilogram = 5,395,5 N.

Acum trebuie să determinăm gravitatea navei. G = (20 kg) (9,81 m / s²) = 196,2 N. Aceasta este mult mai mică decât forța ascendentă, și astfel nava va continua să plutească pe apă.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 6

Utilizați aceeași abordare ca și pentru un lichid cu un gaz. Când elaborezi întrebări despre forța ascendentă, nu trebuie să uiți că lichidul în care este scufundat obiectul nu trebuie neapărat să fie lichid. De asemenea, gazele sunt, de asemenea, lichide și, deși au o densitate foarte scăzută în comparație cu alte substanțe, ele pot încă sprijini greutatea anumitor obiecte care plutesc în ele. Un balon simplu de heliu este o dovadă clară a acestui fapt. Deoarece gazul din balon este mai puțin dens decât lichidul din jurul său (aer obișnuit), acesta plutește!

Metoda 2
Un simplu experiment cu forță în sus

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 7

Așezați un castron sau o ceașcă într-una mai mare. Cu câteva articole de uz casnic este ușor să vezi principiile forței ascendente în acțiune! În acest experiment simplu, vom arăta că un obiect scufundat simte forța ascendentă pentru că mișcă o cantitate de lichid egală cu volumul obiectului scufundat. În timp ce faceți acest lucru, vă vom arăta, de asemenea, cum să găsiți forța ascendentă a unui obiect într-un mod practic cu acest experiment. În primul rând, plasați un mic recipient deschis, cum ar fi un vas sau o ceașcă, în interiorul unui recipient mai mare, cum ar fi un vas mare sau o găleată.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 8

Umpleți recipientul interior la margine. Acum umpleți recipientul interior cu apă. Asigurați-vă că ați umplut-o la margine, fără a se vărsa. Fii atent! Dacă vărsați apă, mai întâi trebuie să goliți recipientul mai mare înainte de a încerca din nou.

În scopul acestui experiment, se poate presupune că apa are o densitate standard de 1.000 kg / m³. Dacă nu utilizați apă sărată sau un lichid complet diferit, cele mai multe tipuri de apă vor avea o densitate suficient de apropiată de această valoare de referință, astfel încât o mică diferență să nu schimbe rezultatele.

Dacă aveți o pipetă, acest lucru poate fi foarte util pentru redistribuirea corectă a apei în recipientul interior.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 9

Scoateți un obiect mic în apă. Acum găsiți un obiect mic care se potrivește în recipientul interior care poate rezista la apă. Determinați masa acestui obiect în kilograme (puteți utiliza o scară sau un echilibru care indică greutatea în grame și apoi o convertiți în kilograme). Apoi o înmuiați încet și uniform sub apă, până când începe să plutească sau o puteți ține greu, după care lăsați-o să plece. O parte din apa din recipientul interior se va termina peste marginea în containerul exterior.

Pentru exemplul nostru, vă sugerăm să plasăm o mașină de jucărie cu o masă de 0,05 kg în containerul interior. Nu trebuie să calculam volumul mașinii pentru a calcula forța ascendentă, așa cum vom vedea în pasul următor.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 10

Puneți apa defectă într-un pahar. Când împământim un obiect în apă, o parte din el este mutat. Dacă nu ar face asta, nu ar mai fi loc pentru ca obiectul să se scufunde în apă. Când apa este împinsă de obiect, apa se împinge înapoi, rezultând o forță în sus. Luați apa care a alergat în recipientul exterior și turnați-o într-o ceașcă mică. Cantitatea de apă din cuva de măsurare trebuie să fie aproximativ aceeași cu volumul obiectului scufundat.

Cu alte cuvinte, dacă obiectul dvs. continuă să plutească, atunci volumul apei vărsate este egal cu volumul obiectului care este sub suprafața apei. Dacă obiectul se scufunda, volumul de apă care a fost vărsat va fi egal cu volumul întregului obiect.

Se calculează greutatea apei vărsate. Deoarece cunoașteți densitatea apei și puteți măsura volumul apei vărsate cu ceasca de măsurare, cunoașteți și masa. Conversia volumului la m³ (Aceasta poate fi a instrument de conversie online fi folositor) și se înmulțește cu densitatea apei (1000 kg / m³).

Continuăm cu exemplul nostru: să presupunem că mașina noastră de jucărie a fost scufundată în recipientul interior și sa mutat în jur de două linguri de apă (0,00003 m³). Pentru a găsi masa apei, înmulțim aceasta cu densitatea: 1.000 kg / m³ × 0.00003 m³ = 0,03 kg.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 12

Comparați masa apei deplasate cu cea a obiectului. Acum, când cunoașteți masa atât a obiectului imersat în apă, cât și a apei deplasate, puteți compara unul cu celălalt pentru a vedea care dintre ele este mai mare. Dacă masa obiectului scufundat este mai mare decât cea a apei deplasate, atunci ar trebui să fie scufundată. Pe de altă parte, dacă masa apei deplasate este mai mare, atunci obiectul trebuie să fi condus. Acesta este principiul forței ascendente în acțiune - pentru a menține plutitorul ca obiect, va trebui să muți o masă de apă mai mare decât cea a obiectului însuși.

Astfel, obiectele cu volum redus de masa, dar mari sunt cele mai rezistente tipuri de obiecte. Această proprietate înseamnă că obiectele goale au o forță puternică în sus. Gândiți-vă la o canoe - plutește bine deoarece este goală, astfel încât o canoe poate mișca multă apă fără o masă foarte mare. În cazul în care canoe nu au fost goale, nu ar pluti foarte bine.

În exemplul nostru, mașina are o masă mai mare (0,05 kg) decât apa deplasată (0,03 kg). Acest lucru este în concordanță cu ceea ce am observat: mașina sa scufundat.