Cum se calculează flotabilitatea (împingerea rezistenței)

Flotabilitatea este o forță de evacuare care acționează asupra corpului imersată în lichid (sau gaz) și direcționată opus. În cazurile generale, forța de împingere poate fi calculată cu formula: f_B = V_S × d × g, unde f_B - Forța de tragere - V_S - Volumul corpului corpului imersat în lichid - D este densitatea lichidului în care corpul este imersat - forța de gravitație.

Pași

Metoda 1 din 2:

Calculul prin formula

unu. Găsiți volumul corpului scufundat în lichid (volum scufundat). Forța de împingere este direct proporțională cu volumul părții corpului scufundat în lichid. Cu alte cuvinte, cu atât mai mult corpul este scufundat, cu atât mai multă forță ejectică. Aceasta înseamnă că și forța de împingere acționează asupra corpului scufundat. Volumul imersat trebuie măsurat în m.

În corpurile care sunt complet imersate în lichid, volumul imersat este egal cu volumul corpului. În corpurile plutitoare în lichid, volumul submersibil este egal cu volumul corpului, ascuns sub suprafața lichidului.
De exemplu, luați în considerare o minge plutitoare în apă. Dacă diametrul bilei este de 1 m, iar suprafața apei vine la mijlocul mingii (adică, este scufundată în jumătatea apei), atunci povara mingea este egală cu volumul său împărțit la 2. Volumul bilei este calculat prin formula V = (4/3) π (Radius) = (4/3) π (0,5) = 0,524 m. Volumul scufundat: 0.524 / 2 = 0,262 m.

Imagine intitulată Calculul de flotabilitate Pasul 2

2. Găsiți densitatea fluidului (în kg / m), în care corpul este imersat. Densitatea este raportul dintre greutatea corporală a volumului ocupat de acest corp. Dacă două corpuri au același volum, masa corporală cu o densitate mai mare va fi mai mult. De regulă, cu atât este mai mare densitatea lichidului în care este scufundat corpul, cu atât forța împingivă este mai mare. Densitatea lichidă poate fi găsită pe Internet sau în diferite cărți de referință.

În exemplul nostru, mingea înoată în apă. Densitatea apei este aproximativ egală cu 1000 kg / m.

Densitatea multor alte lichide poate fi găsită Aici.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 3

3. Găsiți puterea gravitației (sau orice altă forță care acționează pe corp pe verticală în jos). Nu contează dacă corpul sau chiuvetele înotă, puterea gravitației acționează întotdeauna asupra ei. În condiții naturale, forța gravitației (sau mai degrabă puterea gravitației care acționează asupra corpului cântărind 1 kg) este aproximativ egală cu 9,81 n / kg. Cu toate acestea, dacă există alte forțe pe corp, de exemplu, forța centrifugală, aceste forțe trebuie luate în considerare și calculează forța rezultată direcționată pe verticală în jos.

În exemplul nostru, avem de-a face cu sistemul staționar obișnuit, deci numai puterea gravitației este valabilă pentru minge, egală cu 9,81 n / kg.

Cu toate acestea, în cazul în care mingea înotă într-un recipient de apă, care se rotește în jurul unui anumit punct, atunci o forță centrifugă va acționa pe minge, ceea ce nu permite mingea și apa să strige și care trebuie luate în considerare în calcule.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 4

4. Dacă aveți valorile volumului corpului imersat (în m), densitatea lichidă (în kg / m) și forța gravitației (sau orice altă forță îndreptată vertical în jos), atunci puteți calcula forța ejectării. Pentru a face acest lucru, pur și simplu multiplicați valorile de mai sus și veți găsi forța de evacuare (în H).

În exemplul nostru: f_B = V_S × d × g. F_B = 0,262 m × 1000 kg / m × 9,81 n / kg = 2570.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 5

cinci. Aflați dacă corpul va înota sau va scufunda. Conform formulei de mai sus, puteți calcula forța de evacuare. Dar prin completarea calculelor suplimentare, puteți determina dacă corpul va înota sau va scufunda. Pentru a face acest lucru, găsiți forța de împingere a întregului corp (adică în calcule, utilizați întregul volum al corpului și nu este scufundat volumul) și apoi găsiți forța gravitației conform formulei G = (Greutatea corporală) * 9.81 m / s). Dacă forța de împingere este mai multă gravitate, corpul va pluti - dacă puterea gravitației este mai multă putere, corpul va fi scufundat. Dacă forțele sunt egale, atunci corpul are "flotabilitate neutră".

De exemplu, luați în considerare un jurnal de 20 de kilograme (formă cilindrică) cu un diametru de 0,75 m și o înălțime de 1,25 m, imersată în apă.

Găsiți volumul jurnalului (în exemplul nostru, volumul cilindrului) conform formulei V = π (rază) (înălțime) = π (0,375) = 0,55 m.

Apoi, calculați forța de împingere: F_B = 0,55 m × 1000 kg / m × 9,81 n / kg = 5395,5.

Acum găsiți gravitatea: g = (20 kg) (9,81 m / s) = 196.2. Această valoare este mult mai mică decât valoarea forței de împingere, astfel încât jurnalul va înota.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 6

6. Utilizați calculele descrise mai sus pentru corpul imersat în gaz. Amintiți-vă că corpurile pot înota nu numai în lichide, ci și în gaze care ar putea împinge unele corpuri, în ciuda unei densități de gaz foarte mici (amintiți-vă de minge, plină de densitatea heliului mai puțin densitate a aerului, astfel încât balonul cu muștele de heliu ( flotoare) în aer).

Metoda 2 din 2:

Experimentul de așteptare

unu. Puneți o ceașcă mică într-o găleată. În acest experiment simplu, arătăm că forța de împingere acționează asupra corpului, deoarece corpul scoate volumul lichidului egal cu volumul corpului scufundat. De asemenea, vom demonstra cum să găsim o forță de împingere cu experimentul. Pentru a începe, plasați o ceașcă mică într-o găleată (sau o cratiță).

Imagine intitulată Calculul de flotabilitate Pasul 8

2. Umpleți paharul cu apă (la margini). atenție! Dacă apa din ceașcă a rezultat într-o găleată, turnați apă și începeți.

Pentru experiment, presupuneți că densitatea apei este de 1000 kg / m (numai dacă nu utilizați apă sărată sau alt lichid).

Utilizați pipetă pentru a umple paharul la margini.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 9

3. Ia un obiect mic care se potrivește într-o ceașcă și nu va fi deteriorată de apă. Găsiți o mulțime de acest corp (în kilograme - pentru acest lucru cântărește corpul pe cântare și convertiți valoarea în grame pe kilogram). Apoi coborâți încet obiectul într-o ceașcă cu apă (adică, scufundați corpul în apă, dar nu vă scufundați degetele). Veți vedea că o apă a rezultat din ceașcă în găleată.

În acest experiment vom scădea într-o ceașcă cu mașina de jucărie de apă cântărind 0,05 kg. Volumul acestei mașini nu avem nevoie pentru a calcula forța de evacuare.

Imagine intitulată calcula flotabilitatea Pasul 10

4. Când scufundați corpul în apă, acesta împinge un volum de apă (altfel corpul nu s-ar arunca în apă). Când corpul împinge apa (adică corpul acționează asupra apei), forța de împingere începe cu corpul (adică apa acționează asupra corpului). Se toarnă apă de la o găleată la o ceașcă de măsurare. Volumul apei într-o ceașcă de măsurare trebuie să fie egal cu volumul corpului imersat.

Cu alte cuvinte, dacă corpul plutește, volumul fluidului deplasat este egal cu volumul corpului imersat. Dacă corpul a înecat, volumul lichidului deplasat este egal cu volumul întregului corp.

Imagine intitulată Calculați plasa de flotabilitate 11

cinci. Calculați masa apei deplasate în funcție de valorile cunoscute ale volumului acestei densități de apă și apă. Valoarea volumului de apă prezentată de sticla de măsurare, convertită la m (puteți face acest lucru Aici) și apoi multiplicarea volumului de apă strămutate pe densitatea apei (1000 kg / m).

În exemplul nostru, o mașină de jucărie sa înecat, având în vedere aproximativ două linguri de apă (0,00003 m). Calculăm masa apei deplasate: 1000 kg / m × 0,00003 m = 0,03 kg.

Imagine intitulată Calculați flotabilitatea Pasul 12

6. Comparați masa apei strămutate, cu o masă de corp imersat. Dacă masa corpului imersat este mai mare decât masa apei deplasate, atunci corpul se va îneca. Dacă masa apei restante este mai mare în greutate corporală, plutește. Prin urmare, pentru ca organismul să înoate, ar trebui să prezinte cantitatea de apă cu o masă care depășește corpul însuși.

Astfel, corpurile având o masă mică, dar un volum mare, posedă cea mai bună flotabilitate. Acești doi parametri sunt caracteristică corpurilor goale. Amintiți-vă barca - are o flotabilitate excelentă, deoarece este goală și deplasează o mulțime de apă cu o masă mică de barcă în sine. Dacă barca nu era un gol, ea nu ar înota deloc (și ton).

În exemplul nostru, masa mașinii (0,05 kg) este mai mare decât masa apei deplasate (0,03 kg). Așa că mașina și înecată.