Come calcolare la forza fluttuante: 12 passaggi (con foto) - Suggerimenti

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La forza fluttuante è la forza che agisce su un oggetto immerso nel fluido nella direzione opposta alla gravità. Quando un oggetto viene posto in un fluido, il peso dell'oggetto spinge verso il basso il fluido (liquido o gas) mentre la galleggiabilità spinge l'oggetto verso l'alto, nella direzione opposta della gravità. In generale, questa galleggiabilità può essere calcolata utilizzando le equazioni F_b = V_S × D × g, in cui F_b è la galleggiabilità, V_S è il volume della parte sommersa, D è la densità del fluido che circonda l'oggetto e g è la gravità. Per imparare a determinare la galleggiabilità di un oggetto, inizia con il passaggio 1 di seguito.

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Metodo 1 di 2: utilizza l'equazione della forza fluttuante

Trova il volume la parte sommersa dell'oggetto. La galleggiabilità che agisce sull'oggetto è direttamente correlata alla porzione di volume sommerso dell'oggetto. In altre parole, più grande è il pozzo di un corpo solido, più forte è la galleggiabilità su di esso. Cioè, anche se l'oggetto è completamente immerso nel liquido, c'è ancora una galleggiabilità che agisce su di esso. Per iniziare a calcolare la forza di galleggiamento che agisce su un oggetto, il primo passo è solitamente quello di determinare il volume di volume immerso nel fluido. Nell'equazione per la forza fluttuante, questo valore deve essere scritto in m.
- Per un oggetto completamente immerso nel fluido, il volume che viene immerso sarà uguale al volume dell'oggetto stesso. Per il supernatante del fluido, consideriamo solo la frazione di volume al di sotto della superficie del fluido.
- Ad esempio, supponiamo di voler trovare la galleggiabilità che agisce su una palla di gomma che galleggia nell'acqua. Se la palla è una sfera perfetta di 1 m di diametro e galleggia con esattamente una metà sommersa, possiamo trovare il volume della parte sommersa calcolando il volume dell'intera palla e dividendolo a metà. Poiché il volume della sfera è (4/3) π (raggio), il volume della sfera è (4/3) π (0,5) = 0,524 m. 0,524 / 2 = 0.262 m è stato affondato.
Trova la densità del fluido. Il passaggio successivo per trovare la forza fluttuante è determinare la densità (in kg / m) del liquido circostante. La densità è una quantità misurata dal rapporto tra la massa di una materia o materia e il suo volume corrispondente. Per due oggetti di uguale volume, l'oggetto con una densità maggiore sarà più pesante. La regola generale è che maggiore è la densità di un fluido, maggiore sarà la galleggiabilità esercitata sul corpo che affonda in esso. Con i fluidi, di solito il modo più semplice per determinare la densità è attraverso i riferimenti.
- Nell'esempio sopra, la palla galleggia nell'acqua. Il riferimento alla letteratura di studio ci dice che l'acqua ha una densità specifica 1.000 kg / m.
- La densità di molti fluidi comuni è fornita nella letteratura tecnica. Puoi trovare questo elenco qui.
Trova la gravità (o un'altra forza nella direzione verso il basso). Sia che un oggetto affondi o galleggi in un fluido, è sempre sotto la forza di gravità. In effetti, questa costante di forza verso il basso è circa 9,81 Newton / chilogrammo. Tuttavia, nei casi in cui c'è un'altra forza che agisce sul fluido e il corpo che affonda in esso come la forza radiale, dobbiamo anche considerare questa forza quando si calcola la forza totale "verso il basso" per l'intero sistema.
- Nell'esempio sopra, se abbiamo un normale sistema statico, si può presumere che l'unica forza verso il basso che agisce sul fluido e sul corpo sia la gravità standard - 9,81 Newton / chilogrammo.
Moltiplica il volume per densità e gravità. Quando si hanno i valori per il volume dell'oggetto (in m), la densità del fluido (in kg / m) e la gravità (o la forza verso il basso del sistema Newton / Chilogrammo), trovare la forza fluttuante diventa facile. . Basta triplicarli per trovare la forza fluttuante in Newton.
- Risolvi il problema di esempio inserendo i valori nell'equazione F_b = V_S × D × g. F_b = 0,262 m × 1.000 kg / m × 9,81 N / kg = 2.570 Newton. Le altre unità si annienterebbero a vicenda, lasciando solo l'unità di Newton.
Determina se l'oggetto fluttua o meno confrontandolo con la gravità. Usando l'equazione per la galleggiabilità, troverai facilmente la forza che spinge l'oggetto fuori dal liquido. Tuttavia, puoi anche determinare se il materiale galleggia o affonda nel fluido se fai un passo in più. Trova la forza fluttuante che agisce su tutto il corpo (cioè usa l'intero volume del corpo V_S), quindi trova la gravità che attrae l'oggetto con l'equazione G = (massa dell'oggetto) (9,81 m / s). Se la forza fluttuante è maggiore della gravità, l'oggetto fluttuerà. D'altra parte, se la gravità è maggiore, l'oggetto affonderà. Se queste due forze sono uguali allora diciamo la cosa sospeso.
- Un oggetto sospeso non galleggerà sopra l'acqua né affonderà sul fondo mentre è in acqua. Sarà sospeso nel liquido tra la superficie e il fondo.
- Ad esempio, supponiamo di voler sapere se una cassa di legno cilindrica da 20 kg con un diametro di 0,75 metri e un'altezza di 1,25 metri può galleggiare nell'acqua. Dobbiamo eseguire diversi passaggi per questo problema:
  - Il primo è trovare il volume utilizzando la formula per il volume del cilindro V = π (raggio) (altezza). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 m.
  - Successivamente, supponendo di conoscere la gravità standard e la densità dell'acqua, risolviamo la forza fluttuante che agisce sulla canna. 0,55 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 5.395,5 Newton.
  - Ora dobbiamo trovare la gravità che agisce sulla cassa di legno. G = (20 kg) (9,81 m / s) = 196.2 Newton. Questo risultato è molto più piccolo della forza di galleggiamento, quindi la canna galleggerà.
Utilizzare lo stesso calcolo quando il fluido è un gas. Quando risolvi i problemi di galleggiamento, non dimenticare che il fluido non deve essere liquido. I gas sono anche noti come fluidi anche se hanno una densità molto piccola rispetto ad altri tipi di materia e il gas può ancora respingere alcuni degli oggetti galleggianti in esso contenuti. La bolla di elio ne è la prova. Poiché l'elio in una bolla è più leggero del fluido attorno ad essa (aria), la bolla volerà via! annuncio pubblicitario

Metodo 2 di 2: eseguire un semplice esperimento sulla forza fluttuante

Metti una piccola ciotola in una più grande. Con pochi oggetti in casa, vedrai facilmente gli effetti della galleggiabilità nella pratica. In questo esperimento, mostriamo che quando un oggetto è immerso, subirà l'effetto della galleggiabilità, perché prende il posto della quantità di fluido che è uguale al volume dell'oggetto sommerso. Durante il processo di sperimentazione mostriamo anche come trovare in pratica la forza fluttuante dell'oggetto. Per prima cosa metti un piccolo contenitore senza tappo, come una ciotola o una tazza, in un contenitore più grande come una grande ciotola o un secchio d'acqua.
Riempi d'acqua un piccolo contenitore da bordo a bordo. Devi versare l'acqua vicino al bordo senza versarla. Fai attenzione in questo passaggio! Se lasci che l'acqua trabocchi, devi svuotare completamente il contenitore grande e poi ricominciare.
- Per questo esperimento, assumiamo che l'acqua abbia una densità di 1000 kg / m. A meno che non si utilizzi salamoia o un liquido completamente diverso, la maggior parte delle acque ha una densità vicina a questo valore di riferimento, quindi i risultati non saranno influenzati.
- Se hai un contagocce puoi usarlo per far gocciolare l'acqua nel suo contenitore interno in modo che il livello dell'acqua sia fino al bordo.
Immergi un piccolo oggetto. Quindi, cerca un oggetto che possa entrare in un piccolo contenitore senza danni causati dall'acqua. Trova il peso in chilogrammi di questo oggetto (dovresti usare una scala per la lettura in grammi e poi convertirlo in chilogrammi). Quindi premi lentamente l'oggetto nell'acqua senza bagnarti il dito finché non inizia a galleggiare o riesci a malapena a tenerlo, quindi rilascia l'oggetto. Dovresti vedere un po 'd'acqua fuoriuscire dal bordo del contenitore interno nel contenitore esterno.
- Per questo esempio, supponiamo di premere un'auto giocattolo da 0,05 kg nel suo contenitore interno. Non abbiamo bisogno di conoscere il volume dell'auto per calcolare la galleggiabilità, come sapremo nel passaggio successivo.
Raccogli e misura l'acqua che trabocca. Quando si preme un oggetto nell'acqua, questo prende il posto dell'acqua, altrimenti non c'è spazio per immergerlo nell'acqua. Quando spinge l'acqua fuori dal percorso, l'acqua respinge e crea galleggiabilità. Raccogli l'acqua fuoriuscita dal contenitore interno e versala nel misurino piccolo. Il volume dell'acqua nella tazza dovrebbe essere uguale al volume dell'oggetto sommerso.
- In altre parole, se l'oggetto galleggia, il volume dell'acqua che fuoriesce sarà uguale al volume dell'oggetto immerso sotto la superficie dell'acqua. Se l'oggetto affonda, il volume dell'acqua in eccesso sarà uguale al volume dell'intero oggetto.
Calcola la quantità di acqua versata. Poiché conosci la densità dell'acqua e puoi misurare il volume dell'acqua che trabocca in un misurino, calcolerai il volume dell'acqua. Converti il volume in m (un convertitore di unità online come questo può aiutarti qui) e moltiplicalo per la densità dell'acqua (1.000 kg / m).
- Nell'esempio sopra, supponi che la macchinina sia immersa nel suo contenitore interno e occupi circa 2 cucchiai (0,00003 m) di acqua. Per trovare la massa d'acqua, moltiplicala per la densità: 1.000 kg / m × 0,00003 m = 0,03 kg.
Confronta il volume dell'acqua spostata e la massa dell'oggetto. Ora che conosci le masse sia dell'acqua sommersa che di quella spostata, confronta questi due valori. Se la massa dell'oggetto è maggiore del volume di acqua spostato, l'oggetto affonderà. D'altra parte, se il volume del volume d'acqua spostato è maggiore, l'oggetto galleggerà. Questo è il principio di galleggiamento in pratica: per un corpo galleggiante deve spostare una massa d'acqua maggiore della massa del corpo stesso.
- Da qui le masse leggere ma i grandi volumi sono i migliori oggetti galleggianti. Questa proprietà indica che gli oggetti cavi possono galleggiare molto bene. Diamo un'occhiata alla canoa: galleggia bene perché è vuota all'interno, quindi può assorbire molta acqua ma la massa non è troppo pesante. Se la canoa fosse spessa all'interno non sarebbe in grado di galleggiare bene.
- Nell'esempio sopra, un veicolo con una massa di 0,05 kg è maggiore di un volume d'acqua spostato di 0,03 kg. Questo è in linea con quanto osserviamo: l'auto è affondata.
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