Η δύναμη άνωσης είναι μια δύναμη αντίθετη με τη βαρύτητα, η οποία επηρεάζει όλα τα αντικείμενα που είναι βυθισμένα σε ένα ρευστό. Όταν ένα αντικείμενο τοποθετείται σε ένα ρευστό, η μάζα του αντικειμένου πιέζει το ρευστό (υγρό ή αέριο), ενώ η πλευστή δύναμη ωθεί το αντικείμενο στη βαρύτητα. Σε γενικές γραμμές, αυτή η δύναμη άνωσης μπορεί να υπολογιστεί με την εξίσωση φάένα = Vτ × × g, με τον Fένα είναι η πλευστή δύναμη, Vτ είναι ο όγκος του βυθισμένου αντικειμένου, είναι η πυκνότητα του ρευστού και g είναι η βαρυτική δύναμη. Για να μάθετε πώς να προσδιορίζετε την πλευστότητα ενός αντικειμένου, ανατρέξτε στο Βήμα 1 παρακάτω για να ξεκινήσετε.
Βήμα
Μέθοδος 1 από 2: Χρήση της εξίσωσης της πλευστότητας
Βήμα 1. Βρείτε τον όγκο του βυθισμένου τμήματος του αντικειμένου
Η πλευστή δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο είναι ανάλογη με τον όγκο του βυθισμένου αντικειμένου. Με άλλα λόγια, όσο μεγαλύτερο είναι το βυθισμένο στερεό μέρος του αντικειμένου, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη άνωσης που ασκεί το αντικείμενο. Αυτό σημαίνει ότι τα αντικείμενα που είναι βυθισμένα σε ένα υγρό έχουν μια πλευστική δύναμη που ωθεί το αντικείμενο προς τα πάνω. Για να αρχίσετε να υπολογίζετε τη δύναμη άνωσης που ασκεί ένα αντικείμενο, το πρώτο σας βήμα είναι συνήθως να προσδιορίσετε τον όγκο του αντικειμένου που βυθίζεται στο ρευστό. Για την εξίσωση πλευστότητας, αυτή η τιμή πρέπει να είναι σε μέτρα3.
- Για ένα αντικείμενο εντελώς βυθισμένο σε ένα ρευστό, ο όγκος που βυθίζεται είναι ίσος με τον όγκο του ίδιου του αντικειμένου. Για αντικείμενα που επιπλέουν πάνω από την επιφάνεια του ρευστού, υπολογίζεται μόνο ο όγκος κάτω από την επιφάνεια.
- Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να βρούμε την πλευστή δύναμη που δρα σε μια λαστιχένια μπάλα που επιπλέει στο νερό. Εάν η σφαίρα από καουτσούκ είναι μια τέλεια σφαίρα με διάμετρο 1 m και επιπλέει με το μισό της βυθισμένο κάτω από το νερό, μπορούμε να βρούμε τον όγκο του βυθισμένου τμήματος βρίσκοντας τον συνολικό όγκο της σφαίρας και διαιρώντας με δύο. Δεδομένου ότι ο όγκος της σφαίρας είναι (4/3) (ακτίνα)3, γνωρίζουμε ότι ο όγκος της σφαίρας μας είναι (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 μέτρα3. 0, 524/2 = 0,262 μέτρα3 νεροχύτης.
Βήμα 2. Βρείτε την πυκνότητα του υγρού σας
Το επόμενο βήμα στη διαδικασία εύρεσης πλευστότητας είναι ο καθορισμός της πυκνότητας (σε χιλιόγραμμα/μέτρο3) του ρευστού στο οποίο βυθίζεται το αντικείμενο. Η πυκνότητα είναι η μέτρηση της μάζας ενός αντικειμένου ή ουσίας σε σχέση με τον όγκο του. Αν δοθούν δύο αντικείμενα με τον ίδιο όγκο, το αντικείμενο με τη μεγαλύτερη πυκνότητα θα έχει μεγαλύτερη μάζα. Σύμφωνα με τον κανόνα, όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα του ρευστού στο οποίο είναι βυθισμένο το αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη πλεύσης. Με τα υγρά, συνήθως ο ευκολότερος τρόπος για να προσδιορίσετε την πυκνότητα είναι απλά να το αναζητήσετε σε ένα υλικό αναφοράς.
- Στο παράδειγμά μας, η μπάλα μας επιπλέει στο νερό. Μελετώντας ακαδημαϊκές πηγές, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι το νερό έχει πυκνότητα περίπου. 1.000 κιλά/μέτρο3.
- Άλλες ευρέως χρησιμοποιούμενες πυκνότητες ρευστών παρατίθενται σε πηγές μηχανικής. Μία από τις λίστες μπορεί να βρεθεί εδώ.
Βήμα 3. Βρείτε τη δύναμη της βαρύτητας (ή κάποια άλλη καθοδική δύναμη)
Είτε ένα αντικείμενο βυθίζεται είτε επιπλέει σε ένα ρευστό, έχει πάντα μια βαρυτική δύναμη. Στον πραγματικό κόσμο, η σταθερά προς τα κάτω δύναμης είναι ίση με 9,81 νιούτον/κιλό Το Ωστόσο, σε καταστάσεις όπου άλλες δυνάμεις, όπως η φυγόκεντρη δύναμη, ενεργούν στο ρευστό και το αντικείμενο που είναι βυθισμένο σε αυτό, αυτή η δύναμη πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη για τον προσδιορισμό της καθαρής καθοδικής δύναμης για ολόκληρο το σύστημα.
- Στο παράδειγμά μας, εργαζόμαστε με ένα συνηθισμένο, στατικό σύστημα, οπότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι η μόνη καθοδική δύναμη που δρα στα υγρά και τα αντικείμενα είναι η γενική βαρυτική δύναμη - 9,81 νιούτον/κιλό.
- Ωστόσο, τι γίνεται αν η μπάλα μας, η οποία επιπλέει σε ένα κουβά με νερό, τυλίγεται σε κύκλο σε οριζόντια κατεύθυνση με μεγάλη ταχύτητα; Σε αυτή την περίπτωση, υποθέτοντας ότι ο κάδος περιστρέφεται αρκετά γρήγορα ώστε να μην χυθεί το νερό και η μπάλα, η προς τα κάτω δύναμη σε αυτή την κατάσταση θα προέλθει από τη φυγόκεντρο δύναμη που δημιουργείται από την ταλάντωση του κάδου, όχι από τη βαρύτητα της Γης.
Βήμα 4. Πολλαπλασιάστε όγκο × πυκνότητα × βαρύτητα
Εάν έχετε την τιμή όγκου του αντικειμένου σας (σε μέτρα3), την πυκνότητα του υγρού σας (σε χιλιόγραμμα/μέτρο3), και τη δύναμη της βαρύτητας (η καθοδική δύναμη στο σύστημά σας), οπότε η εύρεση πλευστότητας είναι πολύ εύκολη. Απλώς πολλαπλασιάστε αυτές τις τρεις τιμές για να βρείτε την πλευστή δύναμη στο newtons.
Ας λύσουμε το πρόβλημά μας, συνδέοντας τις τιμές μας στην εξίσωση Fένα = Vτ × × g. φάένα = 0,262 μέτρα3 × 1.000 κιλά/μέτρο3 × 9,81 newtons/κιλό = 2.570 newtons.
Βήμα 5. Δείτε αν το αντικείμενό σας επιπλέει συγκρίνοντας την πλευστότητα με τη δύναμη της βαρύτητας
Χρησιμοποιώντας την εξίσωση πλευστότητας, είναι εύκολο να βρούμε τη δύναμη που ωθεί ένα αντικείμενο πάνω και έξω από το ρευστό. Ωστόσο, με λίγη επιπλέον προσπάθεια, είναι επίσης δυνατό να προσδιοριστεί εάν ένα αντικείμενο θα επιπλέει ή θα βυθιστεί. Απλώς βρείτε την πλευστή δύναμη για ολόκληρο το αντικείμενο (με άλλα λόγια, χρησιμοποιήστε ολόκληρο τον όγκο για την τιμή του Vτ), στη συνέχεια, βρείτε τη βαρυτική δύναμη που την ωθεί προς τα κάτω με την εξίσωση G = (μάζα του αντικειμένου) (9,81 μέτρα/δευτερόλεπτο2). Εάν η δύναμη άνωσης είναι μεγαλύτερη από τη βαρυτική δύναμη, το αντικείμενο θα επιπλέει. Από την άλλη πλευρά, εάν η βαρυτική δύναμη είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη άνωσης, το αντικείμενο θα βυθιστεί. Εάν τα μεγέθη είναι ίδια, το αντικείμενο λέγεται ότι επιπλέει.
-
Για παράδειγμα, ας πούμε ότι θέλουμε να μάθουμε αν ένα ξύλινο κυλινδρικό βαρέλι με μάζα 20 κιλών και διάμετρο 0,75 m και ύψος 1,25 m θα επιπλέει στο νερό. Αυτό το πρόβλημα θα χρησιμοποιήσει διάφορα βήματα:
- Μπορούμε να βρούμε τον όγκο με τον τύπο για τον όγκο του κυλίνδρου V = (ακτίνα)2(ψηλός). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 μέτρα3.
- Στη συνέχεια, υποθέτοντας ότι το μέγεθος της βαρύτητας είναι συνηθισμένο και αυτό του νερού της συνηθισμένης πυκνότητας, μπορούμε να βρούμε την πλευστή δύναμη του βαρελιού. 0,55 μέτρα3 × 1000 κιλά/μέτρο3 × 9,81 newtons/κιλό = 5.395, 5 newtons.
- Τώρα, πρέπει να βρούμε τη βαρυτική δύναμη της κάννης. G = (20 κιλά) (9,81 μέτρα/δευτερόλεπτο)2) = 196,2 newtons Το Αυτή η δύναμη είναι μικρότερη από τη δύναμη άνωσης, οπότε το βαρέλι θα επιπλέει.
Βήμα 6. Χρησιμοποιήστε την ίδια προσέγγιση εάν το υγρό σας είναι αέριο
Όταν εργάζεστε σε προβλήματα πλευστότητας, μην ξεχνάτε ότι το υγρό στο οποίο είναι βυθισμένο το αντικείμενο δεν χρειάζεται να είναι υγρό. Τα αέρια είναι επίσης ρευστά και, παρόλο που τα αέρια έχουν πολύ χαμηλή πυκνότητα σε σύγκριση με άλλες ουσίες, μπορούν ακόμα να στηρίξουν ορισμένες μάζες αντικειμένων που επιπλέουν στο αέριο. Ένα απλό μπαλόνι ηλίου είναι απόδειξη αυτού. Επειδή το αέριο στο μπαλόνι είναι λιγότερο πυκνό από το περιβάλλον υγρό (αέρας περιβάλλοντος), το μπαλόνι επιπλέει!
Μέθοδος 2 από 2: Εκτέλεση ενός απλού πειράματος πλευστότητας
Βήμα 1. Τοποθετήστε ένα μικρό μπολ ή ένα φλιτζάνι μέσα σε ένα μεγαλύτερο μπολ
Με ορισμένα είδη σπιτιού, είναι εύκολο να δείτε τις αρχές της πλευστότητας στο πείραμα! Σε αυτό το απλό πείραμα, θα αποδείξουμε ότι ένα βυθισμένο αντικείμενο βιώνει μια πλευστή δύναμη επειδή μετατοπίζει έναν όγκο ρευστού ίσο με τον όγκο του βυθισμένου αντικειμένου. Καθώς το κάνουμε αυτό, θα επιδείξουμε επίσης έναν πρακτικό τρόπο εύρεσης της πλευστής δύναμης ενός αντικειμένου με αυτό το πείραμα. Για να ξεκινήσετε, τοποθετήστε ένα μικρό, ανοιχτό δοχείο, όπως ένα μπολ ή φλιτζάνι, μέσα σε ένα μεγαλύτερο δοχείο, όπως ένα μεγάλο μπολ ή κουβά.
Βήμα 2. Γεμίστε το μικρό δοχείο μέχρι το χείλος
Στη συνέχεια, γεμίστε το μικρότερο εσωτερικό δοχείο με νερό. Θέλετε το νερό να είναι τόσο ψηλό όσο το δοχείο χωρίς να χυθεί. Προσοχή εδώ! Εάν χύσετε νερό, αδειάστε το μεγαλύτερο δοχείο πριν προσπαθήσετε ξανά.
- Για τους σκοπούς αυτού του πειράματος, είναι εντάξει να υποθέσουμε ότι το νερό έχει μια γενική πυκνότητα 1000 κιλών/μέτρο3Το Αν δεν χρησιμοποιείτε θαλασσινό νερό ή ένα εντελώς διαφορετικό υγρό, οι περισσότεροι τύποι νερού έχουν σχεδόν την ίδια πυκνότητα με αυτήν την τιμή αναφοράς, οπότε μια μικρή διαφορά δεν θα αλλάξει τα αποτελέσματά μας.
- Εάν έχετε σταγόνες ματιών, αυτό μπορεί να είναι πολύ χρήσιμο για την αύξηση της στάθμης του νερού σε ένα μικρό δοχείο.
Βήμα 3. Βυθίστε το μικρό αντικείμενο
Στη συνέχεια, αναζητήστε ένα μικρό αντικείμενο που θα χωρέσει σε ένα μικρό δοχείο και δεν θα καταστραφεί από το νερό. Βρείτε τη μάζα αυτού του αντικειμένου σε χιλιόγραμμα (μπορεί να θέλετε να χρησιμοποιήσετε μια ζυγαριά ή ισορροπία που μπορεί να πάρει γραμμάρια και να τα μετατρέψετε σε κιλά). Στη συνέχεια, χωρίς να βραχούν τα δάχτυλά σας, αργά αλλά σίγουρα, βυθίστε το αντικείμενο στο νερό μέχρι να αρχίσει να επιπλέει ή μπορείτε να το κρατήσετε ελαφρώς και στη συνέχεια να το αφήσετε. Θα παρατηρήσετε ότι λίγο από το νερό στο μικρό δοχείο θα χυθεί στο εξωτερικό δοχείο.
Για τους σκοπούς του παραδείγματος μας, ας υποθέσουμε ότι βυθίζουμε ένα αυτοκίνητο παιχνιδιού μάζας 0,05 κιλών σε ένα μικρό δοχείο. Δεν χρειάζεται να γνωρίζουμε τον όγκο αυτού του αυτοκινήτου για να υπολογίσουμε την πλευστότητά του γιατί θα το δούμε στο επόμενο βήμα
Βήμα 4. Συλλέξτε και μετρήστε το χυμένο νερό
Όταν βυθίζετε ένα αντικείμενο στο νερό, μετατοπίζει μέρος του νερού - αλλιώς δεν θα υπάρχει μέρος για να βάλετε το αντικείμενο στο νερό. Όταν ένα αντικείμενο σπρώχνει το νερό προς τα έξω, το νερό σπρώχνει προς τα πίσω, δημιουργώντας μια πλευστή δύναμη. Πάρτε το χυμένο νερό από ένα μικρό δοχείο και ρίξτε το σε ένα μικρό δοχείο μέτρησης. Ο όγκος του νερού στο δοχείο μέτρησης είναι ίσος με τον όγκο του αντικειμένου που βυθίζεται.
Με άλλα λόγια, εάν το αντικείμενό σας επιπλέει, ο όγκος του νερού που χύνεται θα είναι ίσος με τον όγκο του αντικειμένου που βυθίζεται κάτω από την επιφάνεια του νερού. Εάν το αντικείμενό σας βυθιστεί, ο όγκος του νερού που χύνεται είναι ίσος με τον συνολικό όγκο του αντικειμένου
Βήμα 5. Υπολογίστε τη μάζα του χυμένου νερού
Δεδομένου ότι γνωρίζετε την πυκνότητα του νερού και μπορείτε να μετρήσετε τον όγκο του νερού που χύνεται στο δοχείο μέτρησης, μπορείτε να βρείτε τη μάζα του. Απλώς αλλάξτε την ένταση σε μέτρα3 (τα online βοηθήματα μετατροπής, όπως αυτό, μπορούν να βοηθήσουν) και πολλαπλασιάζονται με την πυκνότητα του νερού (1.000 κιλά/μέτρο3).
Στο παράδειγμά μας, ας υποθέσουμε ότι το αυτοκίνητό μας βυθίζεται σε ένα μικρό δοχείο και μετακινείται περίπου δύο κουταλιές της σούπας (0.0003 μέτρα)3). Για να βρούμε τη μάζα του νερού μας, θα το πολλαπλασιάσουμε με την πυκνότητά του: 1.000 κιλά/μέτρο3 000 0.0003 μέτρα3 = 0,03 κιλά.
Βήμα 6. Συγκρίνετε τη μάζα του χυμένου νερού με τη μάζα του αντικειμένου
Τώρα που γνωρίζετε τη μάζα του αντικειμένου που βυθίζετε στο νερό και τη μάζα του νερού που έχει χυθεί, συγκρίνετε τα για να δείτε ποια μάζα είναι μεγαλύτερη. Εάν η μάζα ενός αντικειμένου που βυθίζεται σε ένα μικρό δοχείο είναι μεγαλύτερη από το χυμένο νερό, το αντικείμενο θα βυθιστεί. Από την άλλη πλευρά, εάν η μάζα του χυμένου νερού είναι μεγαλύτερη, το αντικείμενο θα επιπλέει. Αυτή είναι η αρχή της πλευστότητας στο πείραμα - για να επιπλέει ένα αντικείμενο, πρέπει να μετατοπίσει μια ποσότητα νερού με μάζα μεγαλύτερη από τη μάζα του ίδιου του αντικειμένου.
- Έτσι, αντικείμενα με μικρή μάζα αλλά μεγάλο όγκο είναι οι τύποι αντικειμένων που επιπλέουν πιο εύκολα. Αυτή η ιδιότητα σημαίνει ότι τα κοίλα αντικείμενα επιπλέουν πολύ εύκολα. Φανταστείτε ένα κανό - το κανό επιπλέει καλά επειδή είναι κοίλο μέσα, έτσι μπορεί να μετακινήσει πολύ νερό χωρίς να χρειάζεται να έχει μεγάλη μάζα. Εάν το κανό δεν είναι κοίλο (συμπαγές), τότε το κανό δεν θα επιπλέει σωστά.
- Στο παράδειγμά μας, το αυτοκίνητο έχει μεγαλύτερη μάζα (0,05 χιλιόγραμμα) από το χυμένο νερό (0,03 χιλιόγραμμα). Αυτό συμφωνεί με αυτό που παρατηρούμε: τα αυτοκίνητα βουλιάζουν.
