Cum se calculează flotabilitatea (cu imagini)

Flotabilitatea este forța care acționează opusă direcției de greutate care afectează toate obiectele scufundate într-un fluid. Când un obiect este plasat într-un fluid, greutatea obiectului împinge pe fluid (lichid sau gaz) în timp ce o forță de flotabilitate ascendentă împinge în sus pe obiect, acționând împotriva gravitației. În termeni generali, această forță de flotabilitate poate fi calculată cu ecuația F_B = V_S × d × g, unde F_B este forța de flotabilitate care acționează asupra obiectului, v_S este volumul submersibil al obiectului, D este densitatea fluidului pe care obiectul este scufundat și G este forța gravitației. Pentru a afla cum să determinați o flotabilitate a unui obiect, consultați pasul 1 de mai jos pentru a începe.

Pași

Metoda 1 din 2:

Folosind ecuația forței de flotabilitate

Găsiți volumul a porțiunii submersă a obiectului. Forța flotabilității care acționează asupra unui obiect este direct proporțională cu volumul obiectului care este scufundat. Cu alte cuvinte, cu atât mai mult un obiect solid este scufundat, cu atât este mai mare forța flotabilității care acționează asupra ei. Aceasta înseamnă că chiar obiectele care se scufundă în lichid au o forță de flotabilitate împingând în sus pe ele. Pentru a începe să calculați forța de flotabilitate care acționează pe un obiect, primul pas ar trebui să fie, în general, pentru a determina volumul obiectului care este scufundat în fluid. Pentru ecuația forței de flotabilitate, această valoare ar trebui să fie în metri.

Pentru obiectele care sunt complet scufundate în fluid, volumul submersibil va fi egal cu volumul obiectului în sine. Pentru obiectele care plutesc pe suprafața unui fluid, este luată în considerare numai volumul sub suprafața fluidului.
De exemplu, să spunem că vrem să găsim forța de flotabilitate care acționează pe o minge de cauciuc plutitoare în apă. Dacă mingea este o sferă perfectă cu un diametru de 1 metru (3.3 ft) și plutește exact la jumătatea distanței în apă, putem găsi volumul porțiunii scufundate prin găsirea volumului întregii bile și împărțind-o în jumătate. Deoarece volumul unei sfere este (4/3) π (Radius), știm volumul bilei noastre este (4/3) π (0.5) = 0.524 de metri. 0.524/2 = 0.262 de metri submersați.

Imagine intitulată Calculul de flotabilitate Pasul 2

Găsiți densitatea din lichidul tău. Următorul pas în procesul de găsire a forței de flotabilitate este de a defini densitatea (în kilograme / metru) a lichidului pe care obiectul este scufundat. Densitatea este o măsură a unui obiect sau a greutății substanței față de volumul său. Având în vedere două obiecte de volum egal, obiectul cu densitatea mai mare va cântări mai mult. De regulă, cu atât este mai mare densitatea lichidului pe care un obiect este scufundat, cu atât este mai mare forța de flotabilitate. Cu fluide, este în general mai ușor să se determine densitatea pur și simplu prin ao privi în materialele de referință.

În exemplul nostru, mingea noastră plutește în apă. Prin consultarea unei surse academice, putem constata că apa are o densitate de aproximativ 1.000 kilograme / metru.

Densitățile altor fluide comune sunt enumerate în resursele de inginerie. O astfel de listă poate fi găsită Aici.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 3

3. Găsiți forța gravitației (sau o altă forță descendentă). Indiferent dacă un obiect se scufundă sau plutește în fluid, este scufundat, este întotdeauna supus forței gravitației. În lumea reală, această forță constantă descendentă este egală cu aproximativ 9.81 Newtons / kilogram. Cu toate acestea, în situațiile în care o altă forță, cum ar fi forța centrifugă, acționează asupra fluidului și a obiectului scufundat în el, acest lucru trebuie, de asemenea, luat în considerare pentru a determina totalul "în jos" forță pentru întregul sistem.

În exemplul nostru, dacă avem de-a face cu un sistem obișnuit, staționar, putem presupune că singura forță descendentă care acționează asupra fluidului și a obiectului este forța standard a gravitației - 9.81 Newtons / kilogram.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 4

4. Multiplicați volumul × Densitate × Gravitate. Când aveți valori pentru volumul obiectului dvs. (în metri), densitatea fluidului dvs. (în kilograme / metru) și forța gravitației (sau forța descendentă a sistemului dvs. în Newtons / kilograme), găsirea forței de flotabilitate este usor. Pur și simplu multiplicați aceste 3 cantități pentru a găsi forța flotabilității în Newtons.

Să rezolvăm problema noastră de exemplu prin conectarea valorilor noastre în ecuația f_B = V_S × d × g. F_B = 0.262 metri × 1.000 kilograme / metru × 9.81 Newtons / kilogram = 2.570 Newtons. Celelalte unități se anulează reciproc și vă lasă cu NEWTONS.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 5

5. Găsiți dacă obiectul dvs. plutește prin compararea cu forța sa de gravitație. Folosind ecuația forței de flotabilitate, este ușor să găsiți forța care împing un obiect din lichid este scufundat. Cu toate acestea, cu o mică muncă suplimentară, este posibilă, de asemenea, să se determine dacă obiectul va pluti sau va scufunda. Pur și simplu găsiți forța de flotabilitate pentru întregul obiect (cu alte cuvinte, utilizați întregul său volum ca V_S), apoi găsiți forța gravitației împingându-l cu ecuația G = (masa obiectului) (9.81 metri / secunde). Dacă forța de flotabilitate este mai mare decât forța gravitației, obiectul va pluti. Pe de altă parte, dacă forța gravitației este mai mare, se va scufunda. Dacă sunt egale, se spune că obiectul este neutrally flotant.

Un obiect neutru flotant nu va pluti până la suprafață sau nu se scufundă în jos atunci când este în apă. Acesta va fi suspendat în fluid undeva între partea de sus și de jos.

De exemplu, să spunem că vrem să știm dacă un butoi de lemn cilindric de 20 kilograme cu un diametru de .75 de metri (2.5 ft) și o înălțime de 1.25 de metri (4.1 ft) va pluti în apă. Acest lucru va dura mai mulți pași:

Putem găsi volumul său cu volumul cilindric V = π (Radius) (înălțime). V = π (.375) (1.25) = 0.55 de metri.

Apoi, presupunând gravitatea și apa obișnuită cu densitate obișnuită, putem rezolva forța flotabilității pe butoi. 0.55 de metri × 1000 kilograme / metru × 9.81 Newtons / kilogram = 5.395.5 Newtons.

Acum, va trebui să găsim forța gravitației pe butoi. G = (20 kg) (9.81 metri / secunde) = 196.2 Newtons. Aceasta este mult mai mică decât forța de flotabilitate, astfel încât butoiul va pluti.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 6

6. Utilizați aceeași abordare atunci când fluidul dvs. este un gaz. Când efectuați probleme de flotabilitate, nu uitați că lichidul pe care obiectul este scufundat nu trebuie neapărat să fie un lichid. Gazele se numără, de asemenea, ca fluide și, deși au densități foarte scăzute comparativ cu alte tipuri de materie, pot sprijini în continuare greutatea anumitor obiecte care plutesc în ele. Un balon simplu de Helium este o dovadă a acestui lucru. Deoarece gazul din balon este mai puțin dens decât fluidul din jurul lui (aer obișnuit), plutește!

Metoda 2 din 2:

Efectuarea unui simplu experiment de flotabilitate

1. Plasați un castron mic sau o ceașcă în interiorul unui cel mai mare. Cu câteva articole de uz casnic, este ușor să vedeți principiile flotabilității în acțiune! În acest experiment simplu, vom demonstra că un obiect submersibil experimentează flotabilitatea deoarece deplasează un volum de fluid egal cu volumul obiectului scufundat. Așa cum facem acest lucru, vom demonstra, de asemenea, cum să găsim practic forța de flotabilitate a unui obiect cu acest experiment. Pentru a începe, plasați un mic container deschis, ca un castron sau o ceașcă, în interiorul unui recipient mai mare, ca un castron mare sau o găleată.

Imagine intitulată Calculul de flotabilitate Pasul 8

2. Umpleți recipientul interior la margine. Apoi, umpleți recipientul interior mic cu apă. Doriți ca nivelul apei să fie chiar în partea de sus a recipientului fără a se vărsa. Fii atent aici! Dacă vărsați orice apă, goliți recipientul mai mare înainte de a încerca din nou.

În scopul acestui experiment, este sigur să presupunem că apa are o densitate standard de 1000 kilograme / metri. Cu excepția cazului în care utilizați în întregime apa sărată sau un lichid diferit, majoritatea tipurilor de apă vor avea o densitate destul de aproape de această valoare de referință pe care orice diferență minoră nu va modifica rezultatele noastre.

Dacă aveți un eyedropper la îndemână, acest lucru poate fi foarte util pentru a stabili cu precizie apa din recipientul interior.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 9

3. Scufundați un obiect mic. Apoi, găsiți un obiect mic care se poate potrivi în interiorul recipientului interior și nu va fi deteriorat de apă. Găsiți masa acestui obiect în kilograme (poate doriți să utilizați o scară sau un echilibru care vă poate oferi grame și convertiți până la kilograme). Apoi, fără să-ți lași degetele umede, încet și în mod constant în apă până în apă până când începe să plutească sau să poți purta abia la ea, apoi să pleci. Ar trebui să observați o parte din apa din rezervorul de containere interioară peste marginea containerului exterior.

În scopul exemplului nostru, să spunem că coborâm o mașină de jucărie cu o masă de 0.05 kilograme în recipientul interior. Nu trebuie să cunoaștem volumul acestei mașini pentru a calcula flotabilitatea, după cum vom vedea în pasul următor.

Imagine intitulată calcula flotabilitatea Pasul 10

4. Colectați și măsurați apa care se scurge. Când scufundați un obiect în apă, ea deplasează o parte din apă - dacă nu, nu ar fi nici un spațiu pentru a intra în apă. Când împinge această apă din cale, apa împinge înapoi, ducând la flotabilitate. Luați apa care a vărsat din recipientul interior și se toarnă într-o ceașcă de măsurare mică din sticlă.Volumul de apă din ceașcă trebuie să fie egal cu volumul obiectului submersibil.

Cu alte cuvinte, dacă obiectul dvs. plutește, volumul apei care scurgeri va fi egal cu volumul obiectului scufundat sub suprafața apei. Dacă obiectul dvs. sa scufundat, volumul apei care scurgeri va fi egal cu volumul întregului obiect.

Imagine intitulată Calculați plasa de flotabilitate 11

5. Calculați greutatea apei vărsate. Din moment ce cunoașteți densitatea apei și puteți măsura volumul apei care a vărsat în ceașcă de măsurare, puteți găsi masa. Pur și simplu convertiți volumul la metri (un instrument de conversie online, cum ar fi Aceasta, poate fi de ajutor aici) și îl înmulțește de densitatea apei (1.000 kilograme / metri).

În exemplul nostru, să spunem că mașina noastră de jucărie sa scufundat în recipientul interior și strămutate aproximativ două linguri (.00003 metri). Pentru a găsi masa apei noastre, am multiplica acest lucru prin densitatea sa: 1.000 kilograme / metri × .00003 metri = 0.03 kilograme.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 12

6. Comparați masa apei deplasate la masa obiectului. Acum, că știți masa atât a obiectului pe care l-ați scufundat în apă, cât și masa apei pe care le-a deplasat, comparați-le pentru a vedea care este mai mare. Dacă masa obiectului scufundat în recipientul interior este mai mare decât cea a apei deplasate, ar fi trebuit să se scufunde. Pe de altă parte, dacă masa apei deplasate este mai mare, obiectul ar fi trebuit să plutească. Acesta este principiul flotabilității în acțiune - pentru ca un obiect să fie flotant (float), trebuie să depună o cantitate de apă cu o masă mai mare decât cea a obiectului în sine.

Astfel, obiecte cu mase scăzute, dar volume mari sunt cele mai flotante tipuri de obiecte. Această proprietate înseamnă că obiectele goale sunt deosebit de flotante. Gândiți-vă la o canoe - plutește bine pentru că este goală în interior, așa că este capabil să înlocuiască o mulțime de apă fără a avea o masă foarte mare. Dacă canoele erau solide, nu ar pluti foarte bine deloc.

În exemplul nostru, mașina are o masă mai mare (0.05 kilograme) decât apa deplasată (0.03 kilograme). Aceasta liniștea cu ceea ce am observat: mașina sa scufundat.