Opdrift er den kraft, der virker i den modsatte retning af tyngdekraftsretningen, der påvirker alle objekter, der er nedsænket i en væske. Når et objekt placeres i en væske, skubber dets vægt væsken (væske eller gas), mens den flydende kraft skubber objektet opad og virker mod tyngdekraften. Generelt kan denne kraft beregnes med ligningen FB = Vs × D × g, hvor FB er den flydende kraft, Vs er det nedsænkede volumen, D er densiteten af den væske, hvor objektet er nedsænket, og g er tyngdekraften. For at lære at bestemme objektets opdrift, se trin 1 for at komme i gang.
trin
Metode 1 af 2: Brug af ligningen med opdriftskraft
Trin 1. Find mængden af den nedsænkede del af objektet
Den flydende kraft, der virker på et objekt, er direkte proportional med volumenet af objektet, der er nedsænket. Med andre ord, jo mere solidt objektet er, desto større opdriftskraft virker på det. Det betyder, at selv genstande, der synker i en væske, har en kraft, der skubber dem op. For at begynde at beregne denne intensitet er det første trin at bestemme mængden af objektet, der er nedsænket. For ligningen skal denne værdi være i meter3.
- For objekter, der er helt nedsænket i væsken, er det nedsænkede volumen det samme som objektet. For dem, der flyder på væskens overflade, betragtes kun volumenet under overfladen.
- Lad os som et eksempel sige, at vi vil finde den flydende kraft, der virker på en gummikugle, der flyder i vand. Hvis bolden er en perfekt kugle, en meter i diameter, og er halvflydende i vandet, kan vi finde volumenet af den nedsænkede del ved at finde kuglens samlede volumen og dividere med to. Da kuglens volumen er givet med (4/3) π (radius)3, vides det, at vi vil have et resultat af (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 meter3. 0, 524/2 = 0,262 meter3 nedsænket.
Trin 2. Find densiteten af din væske
Det næste trin i processen med at finde den flydende kraft er at definere densiteten (i kilogram/meter3), hvor objektet er nedsænket. Densitet er et mål for et objekt eller stoffets relative vægt efter volumen. I betragtning af to objekter med samme volumen vejer den med større densitet mere. Som regel, jo større densitet af væsken, jo større flydende kraft udøver den. Med væsker er det generelt lettere at bestemme densitet ved at se på referencematerialer.
- I vores eksempel flyder bolden på vand. Ved at konsultere en akademisk kraft kan vi opdage, at vandets tæthed er ca. 1000 kilo/meter3.
- Tætheder af andre almindelige væsker er angivet i tekniske kilder. En liste over disse findes her.
Trin 3. Find tyngdekraften (eller anden nedadgående kraft)
Uanset om objektet flyder eller er helt nedsænket, er det altid underlagt tyngdekraften. I den virkelige verden er denne konstante kraft lig med 9, 81 Newton/kilo. I situationer, hvor en anden kraft, såsom en centrifuge, virker på en væske og det nedsænkede objekt, skal det imidlertid også overvejes at bestemme den samlede nedadgående kraft.
- I vores eksempel, hvis vi har at gøre med et almindeligt og stationært system, kan vi antage, at den eneste kraft, der virker nedad, er tyngdekraften nævnt ovenfor.
- Men hvad nu hvis vores bold svævede i en spand vand og snurrede med stor hastighed i en vandret cirkel? I dette tilfælde, forudsat at spanden snurrer hurtigt nok til at sikre, at både vandet og bolden ikke falder, vil den nedadgående kraft i denne situation stamme fra den centrifugalkraft, der skabes af spandens bevægelse, ikke jordens tyngdekraft.
Trin 4. Multiplicer volumen × densitet × tyngdekraft
Når du har værdier for objektets volumen (i meter 3), densiteten af din væske (i kilogram/meter3) og tyngdekraften (eller systemets nedadgående kraft), er det let at finde den flydende kraft. Du skal blot gange disse tre størrelser for at finde kraften i newton.
- Lad os løse vores eksempel ved at erstatte vores værdier i ligning FB = Vs × D × g. FB = 0,262 meter3 × 1000 kilo/meter3 × 9, 81 newton/kilo = 2570 Newton.
Trin 5. Find ud af, om dit objekt flyder ved at sammenligne det med tyngdekraften
Ved hjælp af den flydende kraftligning er det let at finde den kraft, der skubber et objekt ud af væsken, hvori det er nedsænket. Men med lidt mere arbejde er det også muligt at afgøre, om objektet vil flyde eller synke. Find simpelthen den levende kraft for objektet (med andre ord, brug hele dets volumen som Vs), så find tyngdekraften med ligningen G = (objektmasse) (9,81 meter/sekund2). Hvis den flydende kraft er større end tyngdekraften, flyder objektet. Men hvis tyngdekraften er større, vil den synke. Hvis de er lige, kaldes objektet "neutralt".
-
Lad os f.eks. Sige, at vi vil vide, om en 20 kilogram cylindrisk trætønde med en diameter på 0,75 meter og en højde på 1,25 meter vil flyde på vand. Dette kræver et par trin:
- Vi kan finde dens volumen med formlen V = π (radius)2(højde). V = π (0, 375)2(1, 25) = 0, 55 meter3.
- Efter det, under forudsætning af standardværdierne for tyngdekraft og vandtæthed, kan vi bestemme den flydende kraft på tønden. 0, 55 meter3 × 1000 kilo/meter3 × 9, 81 newton/kilo = 5395, 5 Newton.
- Nu skal vi finde tyngdekraften på tønden. G = (20 kg) (9,81 meter/sekund2) = 196, 2 Newton. Det er meget mindre end den flydende kraft, så tønden vil flyde.
Trin 6. Brug den samme teknik, når din væske er en gas
Når du løser typeproblemer, skal du ikke glemme, at væsken ikke behøver at være en væske. Gasser betragtes også som flydende og kan på trods af lavere tætheder sammenlignet med andre typer stof stadig understøtte vægten af nogle genstande. En simpel heliumballon er bevis på det. Da ballonens gas er mindre tæt end den omgivende væske, flyder den!
Metode 2 af 2: Udførelse af et simpelt opdriftseksperiment
Trin 1. Læg en lille kop eller skål i en større beholder
Med et par ting hjemmefra er det let at se opdriftsprincipperne i aktion! I dette enkle eksperiment vil vi demonstrere, at et nedsænket objekt oplever stød, fordi det fortrænger et volumen væske, der er lig med volumenet af det nedsænkede objekt. Mens vi gør dette, demonstrerer vi også, hvordan man finder opdriftskraften i et eksperiment. For at starte skal du placere en lille beholder, f.eks. En skål eller kop, i en større beholder, f.eks. En større skål eller spand.
Trin 2. Fyld beholderen indefra til kanten
Fyld derefter den større beholder med vand. Du vil have vandstanden til at være på kanten uden at vælte. Vær forsigtig! Hvis der spildes vand, skal du tømme den større beholder, før du prøver igen.
- For dette eksperiment er det sikkert at antage, at vand har densiteten af vand har standardværdien på 1000 kg/meter3. Medmindre du bruger saltvand eller en anden væske, har de fleste typer vand en tæthed tæt på referenceværdien.
- Hvis du har en dropper, kan det være meget nyttigt at kontrollere vandstanden i den indre beholder.
Trin 3. Nedsænk en lille genstand
Find nu en lille genstand, der passer ind i den indre beholder og ikke bliver beskadiget af vand. Find massen af dette objekt i kilogram (brug en skala til dette). Dyp derefter objektet i vandet, uden at det bliver vådt, indtil det begynder at flyde, eller du ikke længere kan holde det. Du bør bemærke vand fra den indre beholder, der spilder ind i den ydre beholder.
Med henblik på vores eksempel, lad os sige, at vi putter en legetøjsbil på 0,05 kg i den indre beholder. Vi behøver ikke at kende bilens volumen for at beregne tryk, som vi ser næste gang
Trin 4. Saml og mål spildt vand
Når du nedsænker et objekt i vand, sker der en forskydning af vand; hvis den ikke gjorde det, ville der ikke være plads til, at han kunne komme i vandet. Når det skubber væsken, skubber vandet tilbage, hvilket forårsager opdriften. Tag det spildte vand og læg det i et målebæger. Vandmængden skal være lig med det nedsænkede volumen.
Med andre ord, hvis dit objekt flyder, er mængden af vand, du spildte, lig med mængden af objektet, der er nedsænket i vandet. Hvis din genstand synker, er mængden af vand, den spilder, lig med mængden af hele objektet
Trin 5. Beregn vægten af det spildte vand
Da du kender tætheden af vand og kan måle mængden, der er spildt, kan du finde massen. Du skal blot konvertere volumen til meter3 (et online konverteringsværktøj som dette kan være nyttigt) og gang det med vandets densitet (1000 kg/meter3).
- I vores eksempel, lad os sige, at vores vogn sank og skubbede omkring to spiseskefulde (0, 00003 meter)3). For at finde vandmassen multiplicerer vi med dens densitet:: 1000 kilo/meter3 × 0,0003 meter3 = 0,03 kilo.
Trin 6. Sammenlign det forskudte volumen med objektets masse
Nu hvor du kender den nedsænkede masse og den forskudte masse, skal du sammenligne dem for at se, hvilken der er større. Hvis massen af objektet, der er nedsænket i det indre kar, er større end massen af fortrængt vand, skal det have sunket. Men hvis den fortrængte vandmasse er større end det, skal objektet have svævet. Dette er opdriftsprincippet; for at et objekt kan flyde, skal det fortrænge en vandmasse, der er større end objektet.
- Objekter med mindre masser, men større volumener, er også de objekter, der flyder mest. Denne egenskab betyder, at hule genstande flyder. Tænk på en kano; den flyder, fordi den er hul, så den kan fortrænge meget vand uden at skulle have en stor masse. Hvis kanoer var solide, ville de ikke flyde godt.
- I vores eksempel har bilen en masse på 0,05 kilo, større end det fortrængte vand, 0,03 kilo. Dette bekræfter vores resultat: bilen synker.
