Cum se calculează flotabilitatea

Flotabilitatea este forța care acționează în direcția opusă gravitației și care afectează toate obiectele care sunt scufundate într-un fluid. Când un obiect este plasat într-un fluid, greutatea obiectului împinge lichidul (lichid sau gazul) în jos, în timp ce flotabilitatea împinge obiectul în sus, acționând împotriva gravitației. În termeni generali, această flotabilitate poate fi calculată cu ajutorul ecuației
F_b

conținut

Pași
Metoda 1utilizați ecuația de flotabilitate
Metoda 2efectuați un experiment simplu de flotabilitate
Sfaturi
Lucruri de care ai nevoie

= V_s x D x g, unde F_b este flotabilitate, V_s este volumul părții submersate a obiectului, D este densitatea fluidului în care obiectul este scufundat și g este forța gravitației. Pentru a afla cum puteți determina flotabilitatea unui obiect, citiți pasul 1 de mai jos pentru a începe.

pași

Metoda 1
Utilizați ecuația de flotabilitate

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 1

Găsiți volumul părții scufundate a obiectului. Flotabilitatea care acționează asupra unui obiect este direct proporțională cu volumul părții obiectului scufundat. Cu alte cuvinte, atâta timp cât o parte mai mare a unui obiect solid este scufundată, flotabilitatea care va acționa asupra acestuia va fi mai mare. Aceasta înseamnă că și obiectele care se scufundă într-un lichid au o flotabilitate care le împinge. Pentru a începe calcularea flotabilității care acționează asupra unui obiect, primul pas ar trebui să fie, în general, acela de a determina volumul obiectului scufundat în fluid. Pentru ecuația flotabilității, această valoare trebuie să fie în m.

Pentru obiectele care sunt complet scufundate în fluid, volumul scufundat va fi egal cu volumul oricărui obiect. Pentru obiectele care plutesc pe suprafața unui fluid, se va lua în considerare numai volumul părții de sub suprafața fluidului.
De exemplu, să spunem că vrem să găsim flotabilitatea care acționează pe o minge de cauciuc plutitoare în apă. În cazul în care mingea este o sferă perfectă cu un diametru de 1 metru și scufundat plutind în apă exact la jumătate, putem găsi volumul părții scufundate de a găsi volumul întregii minge și împărțirea de doi. Deoarece volumul unei sfere este (4/3) π (raza), stim ca volumul mingii noastre este (4/3) π (0,5) = 0,524 m. 0,524 / 2 = 0,262 metri submerse.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 2

Găsiți densitatea fluidului. Următoarea etapă a procesului de găsire a flotabilității este definirea densității (în kg / m) a lichidului în care obiectul este scufundat. Densitatea este o măsură a greutății unui obiect sau a unei substanțe în raport cu volumul său. Având în vedere două obiecte cu volum egal, obiectul cu cea mai mare densitate va cântări mai mult. Ca regulă generală, cu cât este mai mare densitatea fluidului în care un obiect este scufundat, cu atât este mai mare flotabilitatea. Cu ajutorul lichidelor, este de obicei mai ușor să se determine densitatea prin vizionarea materialelor de referință.

În exemplul nostru, mingea plutește în apă. Dacă consultăm o sursă academică, putem constata că apa are o densitate de aproximativ 1000 kg / m.

Densitățile multor alte lichide comune sunt cuprinse în resursele tehnice. Una dintre aceste liste poate fi găsită aici.

Imaginea cu titlul Calculați flotabilitatea Pasul 3

Găsiți forța gravitației (sau o altă forță care acționează în jos). Indiferent dacă un obiect se scufunda sau plutește în fluidul în care este scufundat, acesta este întotdeauna supus forței de gravitație. În lumea reală, această forță descendentă constantă este egală cu aproximativ 9,81 Newton / kg. Cu toate acestea, în situațiile în care o altă forță, cum ar fi centrifuge, acționează asupra fluidului și imersate în obiectul, acest lucru trebuie să fie luate în considerare la determinarea forței care acționează în jos pentru întregul sistem.

În exemplul nostru, dacă ne ocupăm de un sistem obișnuit și staționar, putem presupune că singura forță care acționează asupra fluidului și a obiectului este forța standard a gravitației, 9,81 Newton / kg.

Cu toate acestea, ce s-ar întâmpla în cazul în care bila pluteau într-o găleată de apă care se mișcase cu viteză mare într-un cerc orizontal? În acest caz, presupunând că leagăne tavă suficient de rapid pentru a se asigura că atât apă și mingea nu va cădea, forța care acționează în jos în această situație ar rezulta din cuveta forței centrifuge creează echilibrul, nu a gravității Pământului.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 4

Multiplicați volumul x densitatea x gravitatea. Când aveți valori pentru volumul de obiect (în m), densitatea fluidului (kg / m) și forța de gravitație (sau forța care acționează în jos pe sistemul dvs.), este ușor de a găsi flotabilitate. Pur și simplu înmulțiți aceste trei cantități pentru a găsi flotabilitate în Newton.

Să rezolvăm problema noastră prin introducerea valorilor noastre în ecuația F_b = V_s x D x g.
F_b = 0,262 m x 1000 kg / m x 9,81 newton / kg = 2,570 Newton.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 5

Găsiți dacă obiectul plutește comparându-l cu forța gravitațională. Folosind ecuația flotabilității, este ușor să găsiți forța care împinge un obiect în sus și în afară din fluidul în care este scufundat. Cu toate acestea, cu puțină muncă suplimentară, este de asemenea posibil să se determine dacă obiectul va pluti sau se va scufunda. Pur și simplu găsiți flotabilitatea pentru întregul obiect (cu alte cuvinte, utilizați întregul volum ca valoare a V_s) și apoi găsiți forța gravitației care îl împinge cu ecuația G = (greutatea obiectului) (9,81 metri / secundă). Dacă flotabilitatea este mai mare decât forța gravitațională, obiectul va pluti. Pe de altă parte, dacă forța gravitațională este mai mare, se va scufunda. Dacă ele sunt egale, se spune că obiectul este care plutește în mod neutru.

De exemplu, să spunem că vrem să știm dacă un vas cilindric de 20 kg cu un diametru de 0,75 metri și o înălțime de 1,25 metri va pluti în apă. Acest lucru va necesita mai mulți pași:

Putem gasi volumul cu formula pentru volumul unui cilindru V = π (raza) (inaltime):
V = π (0,375) (1,25) = 0,55 m.

Apoi, presupunând o gravitate obișnuită și apă cu o densitate obișnuită, găsim flotabilitatea care acționează asupra cilindrului:
0,55 m x 1000 kg / m x 9,81 newton / kg = 5395,5 newton.

Acum, trebuie să găsim forța gravitațională care acționează asupra cilindrului:
G = (20 kg) (9,81 metri / secundă) = 196,2 newton. Acest lucru este mult mai puțin decât flotabilitatea, deci barilul va pluti.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 6

Utilizați aceeași abordare atunci când fluidul este un gaz. Când faceți probleme de flotabilitate, nu uitați că fluidul în care este scufundat obiectul nu trebuie neapărat să fie lichid. Gazele se numără, de asemenea, ca fluide și, deși au densități foarte scăzute în comparație cu alte tipuri de materie, ele încă mai pot menține greutatea anumitor obiecte care plutesc în ele. Un balon simplu de heliu este o dovadă a acestui fapt. Deoarece gazul din interiorul balonului este mai puțin dens decât fluidul din jurul acestuia (aerul comun), balonul va pluti!

Metoda 2
Efectuați un experiment simplu de flotabilitate

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 7

Așezați un castron mic sau o cană în interiorul unui vas mai mare. Cu câteva articole de uz casnic, este ușor să respectați principiile flotabilității în acțiune! În acest experiment simplu, vom demonstra că un obiect scufundat suferă o flotabilitate deoarece deplasează un volum de fluid egal cu volumul obiectului scufundat. Procedând astfel, vom demonstra, de asemenea, cum să găsim în mod obiectiv flotabilitatea unui obiect folosind acest experiment. Pentru a începe, așezați un mic recipient deschis, cum ar fi un castron sau o ceașcă, în interiorul unui recipient mai mare, cum ar fi un bol mare sau găleată.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 8

Umpleți recipientul interior la margine. Umpleți recipientul cu apă. Nivelul apei trebuie să ajungă în cea mai mare parte a recipientului fără a se vărsa. Fii atent în această parte! Dacă vărsați puțină apă, goliți recipientul mai mare înainte de a încerca din nou.

În scopul acestui experiment, putem presupune că apa are o densitate standard de 1000 kg / m. Dacă nu utilizați apă sărată sau un lichid complet diferit, cele mai multe tipuri de apă vor avea o densitate apropiată de această valoare de referință încât orice diferență minoră nu va altera rezultatele.

Dacă aveți un picurător pe o parte, acest lucru poate fi foarte util pentru a potrivi cu precizie apa din recipientul interior.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 9

Dip pe un obiect mic. După pasul anterior, găsiți un obiect mic care poate intra în recipientul interior și nu poate fi deteriorat de apă. Găsiți greutatea acestui obiect în kilograme (poate fi necesar să utilizați o scală care vă poate da greutatea în grame și o puteți converti în kilograme). Apoi, fără a lăsa degetele să se udă, împingeți obiectul încet și continuu în apă până când începe să plutească sau până când abia îl țineți și eliberați-l. Trebuie să rețineți că o parte din apa din recipientul interior se varsă peste margine pe recipientul exterior.

În scopul acestui exemplu, să spunem că suntem scufundați într-o mașină de jucărie cu o greutate de 0,05 kg în interiorul containerului interior. Nu trebuie să știm volumul acestei mașini pentru a calcula flotabilitatea acesteia, așa cum vom vedea în pasul următor.

Imaginea intitulată Calculate Flight Stage 10

Colectați și măsurați apa care a fost vărsată. Când scufundați un obiect în apă, acesta deplasează o parte din apă - dacă nu, nu ar mai fi nici un spațiu pentru a intra în apă. Atunci când obiectul împinge această apă din cale, apa o împinge înapoi, rezultând o flotabilitate. Luați apa care a vărsat din recipientul interior și turnați-o într-o ceașcă mică de măsurare a sticlei. Volumul apei din cupă trebuie să fie egal cu volumul obiectului scufundat.

Cu alte cuvinte, dacă obiectul plutește, volumul apei vărsate va fi egal cu volumul părții obiectului care este scufundată sub suprafața apei. Dacă obiectul se scufunda, volumul apei vărsate va fi egal cu volumul întregului obiect.

Calculați greutatea apei vărsate. Acum că știți densitatea apei și puteți măsura volumul de apă care a fost vărsat în cutia de măsurare, puteți găsi greutatea acesteia. Pur și simplu conversia volumului în metri cubi (un instrument de conversie online, cum ar fi aceasta, acesta poate fi util în această parte) și se înmulțește prin densitatea apei (1000 kg / m).

În exemplul nostru, să spunem că mașina de jucărie a căzut în recipientul interior și a fost deplasată cu aproximativ două linguri de apă (0.00003 m). Pentru a găsi greutatea apei, înmulțim această densitate: 1000 kg / m x 0.00003 m = 0,03 kg.

Imaginea intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 12

Comparați greutatea apei deplasate cu cea a obiectului. Acum, că știți greutatea obiectului pe care l-ați scufundat în apă și în apa pe care l-a deplasat, comparați-l pentru a vedea care este mai mare. Dacă greutatea obiectului scufundat în recipientul interior este mai mare decât cea a apei deplasate, obiectul trebuie să se scufunde. Pe de altă parte, dacă greutatea apei deplasate este mai mare, obiectul trebuie să plutească. Acesta este principiul flotabilității în acțiune: pentru ca un obiect să plutească, acesta trebuie să înlocuiască o cantitate de apă cu o greutate mai mare decât cea a obiectului însuși.

Prin urmare, obiectele cu greutate redusă, dar cu volum mare sunt cele mai plutitoare obiecte. Această proprietate înseamnă că obiectele goale sunt deosebit de plutitoare. Gândiți-vă la o canoe: plutește foarte bine deoarece este în interior, astfel încât să poată mișca multă apă fără a avea o greutate foarte mare. În cazul în care canoe au fost solide, ei nu ar pluti foarte bine.

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