Beregne oppdrift: 12 trinn (med bilder)

Innhold

Trinn
- Metode 1 av 2: Bruk av oppdriftskraftligningen
- Metode 2 av 2: Et enkelt oppdriftseksperiment
Tips
Nødvendigheter

Flytekraften er kraften motsatt av tyngdekraften på gjenstander i en væske. Når en gjenstand plasseres i en væske, presser gjenstandens vekt ned på væsken (væske eller gass) mens en oppadgående kraft skyver opp mot gjenstanden, mot tyngdekraften. Generelt kan denne oppdriftskraften beregnes ved hjelp av ligningen f_b = V_s × D × g, hvor F_b oppdriftskraften er V_s volumet til den nedsenkede delen av objektet, D tettheten til væsken objektet er nedsenket i og g tyngdekraften. For å beregne oppdriften til et objekt, kan du fortsette å lese nedenfor ved trinn 1.

Trinn

Metode 1 av 2: Bruk av oppdriftskraftligningen

1. Bestem volumet av den nedsenkede delen av objektet. Flytekraften på en gjenstand er direkte proporsjonal med volumet til gjenstanden som er nedsenket. Med andre ord, jo mer av en gjenstand som er nedsenket, jo større oppdriftskraft virker på den. Dette betyr at selv gjenstander som synker i væske har en oppadgående kraft som presser dem oppover. For å beregne oppdriftskraften på en gjenstand, er ditt første skritt vanligvis å bestemme volumet til gjenstanden nedsenket i en væske. For ligningen av oppdriftskraften skal denne verdien uttrykkes i kubikkmeter (m).

For gjenstander som er helt nedsenket i væsken, er vannvolumet lik volumet til selve gjenstanden. For gjenstander som flyter i en væske er kun volumet under væskens overflate inkludert.
La oss for eksempel si at vi ønsker å vite oppdriftskraften til en gummikule som flyter i vann. Hvis ballen er en perfekt kule med en diameter på 1 meter (3.3 fot) og nøyaktig halvveis gjennom ballen flyter i vannet, så kan vi finne volumet av delen under vann ved å bestemme volumet til hele ballen, så tar vi halvparten av den. Siden volumet av en kule er lik (4/3)π(radius), vet vi at volumet til kulen er lik (4/3)π(0.5) = 0,524 m. 0,524/2 = 0,262 m under vann.

Bilde med tittelen Beregn oppdrift trinn 2

2.Bestem tettheten av væsken. Det neste trinnet i prosessen med å finne oppdriftskraften er å definere tettheten (i kg/meter) til væsken som objektet er nedsenket i. Tetthet er et mål på vekten av en gjenstand eller et stoff i forhold til volumet. For to objekter med likt volum vil objektet med høyere tetthet veie mer. Som regel, jo høyere tetthet av væsken en gjenstand er nedsenket i, jo større er oppdriftskraften. For væsker er det generelt lettest å bestemme tettheten ved å slå den opp i binas (eller annen oppslagsbok).

I vårt eksempel flyter ballen i vannet. Etter å ha konsultert en oppslagsbok vet vi at vann har en tetthet på ca 1.000 kg/m.

Tettheten til mange andre vanlige væsker er oppført i binas (og andre oppslagsverk). Du kan konsultere en slik liste via denne nettsiden.

Bilde med tittelen Beregn oppdrift trinn 3

3. Bestem tyngdekraften (eller annen nedadgående kraft). Enten en gjenstand synker eller flyter i en væske, er den alltid utsatt for tyngdekraften. I den virkelige verden er denne konstante nedadgående kraften lik 9,81 Newton/kg. Men i situasjoner der andre krefter, som sentrifugalkraften, også virker på væsken og gjenstanden som er nedsenket i den, må disse også tas med i betraktningen når den totale `nedover` kraften for hele systemet skal bestemmes.

I vårt eksempel, hvis vi har å gjøre med et enkelt statisk system, kan vi anta at bare den eneste nedadgående kraften på væsken og det nedsenkede objektet er standard gravitasjonskraft: 9,81 Newton/kg.

Men hva om ballen vår flyter i en bøtte med vann som kastes rundt i en horisontal sirkel i stor hastighet? I dette tilfellet (forutsatt at bøtta snurres raskt nok til å sikre at verken vannet eller ballen faller ut), kan "ned"-kraften i denne situasjonen utledes fra sentrifugalkraften som skapes ved å svinge bøtta, og ikke tyngdekraften.

Bilde med tittelen Beregn oppdrift trinn 4

4. Multipliser volum × tetthet × gravitasjon. Hvis verdiene for volumet til gjenstanden (i m), tettheten til væsken (i kg/m) og tyngdekraften (eller den nedadgående kraften i systemet) er gitt, er det lett å bestemme oppdriftskraften. Bare multipliser disse tre verdiene for å finne oppdriftskraften i Newton.

La oss løse eksempelproblemet vårt ved å koble disse verdiene inn i ligningen F_b = V_s × D × g. f_b =0,262 m × 1000 kg/m × 9,81 Newton/kg = 2.570 Newton.

Bilde med tittelen Beregn oppdrift trinn 5

5. Finn ut om objektet ditt flyter (eller flyter i vannet) ved å sammenligne oppdriftskraften med tyngdekraften. Ved å bruke oppdriftsligningen er det lett å finne kraften som skyver en gjenstand opp av væsken den er nedsenket i. Men med litt ekstra arbeid er det også mulig å avgjøre om objektet vil flyte eller synke. For å gjøre dette, bestemme oppdriftskraften på hele objektet (med andre ord, ta hele volumet som V_s) og bestemme tyngdekraften som skyver objektet nedover, ved å bruke ligningen G = (objektets masse) (9,81 m/s). Hvis flytekraften er større enn tyngdekraften, vil objektet flyte. På den annen side vil den synke hvis tyngdekraften er større. Hvis de er like, kan du si at objektet forblir "svevende" i væsken.

La oss for eksempel si at vi vil vite om en sylindrisk tretønne som veier 20 kilo, 0,75 m i diameter og 1,25 m høy vil flyte i vann. Dette krever flere trinn:

Vi bestemmer volumet med formelen for volumet til en sylinder, V = π(radius)(høyde). V = π(0,375)(1,25) = 0,55 meter.

Da kan vi løse oppdriftskraften på fartøyet (forutsatt standard tyngdekraft og vann med vanlig tetthet). 0,55 m × 1000 kg/m × 9,81 newton/kilogram = 5.395,5 N.

Nå må vi bestemme tyngdekraften på fatet. G = (20 kg) (9,81 m/s) = 196,2 N. Dette er mye mindre enn oppdriftskraften, så tønnen vil flyte på vannet.

Bilde med tittelen Beregn oppdrift trinn 6

6. Bruk samme tilnærming som for en væske med en gass. Når du utarbeider spørsmål om oppdrift, husk at væsken objektet er nedsenket i ikke nødvendigvis er en væske. Gasser er også i utgangspunktet væsker, og selv om de har en svært lav tetthet sammenlignet med andre stoffer, kan de fortsatt bære vekten av visse gjenstander som flyter i dem. En enkel heliumballong er et tydelig bevis på dette. Fordi gassen i ballongen er mindre tett enn væsken rundt den (vanlig luft), flyter den!

Metode 2 av 2: Et enkelt oppdriftseksperiment

Bilde med tittelen Beregn oppdriftstrinn 7

1. Plasser en liten bolle eller kopp i en større. Med noen få husholdningsartikler er det lett å se prinsippene for oppdrift i aksjon! I dette enkle eksperimentet vil vi vise at en nedsenket gjenstand opplever oppdrift fordi den fortrenger en mengde væske lik volumet til den nedsenkede gjenstanden. Mens vi gjør dette, vil vi også vise deg hvordan du finner oppdriftskraften til et objekt på en praktisk måte med dette eksperimentet. For å starte, plasser en liten åpen beholder, for eksempel en bolle eller kopp, i en større beholder, for eksempel en stor bolle eller bøtte.

Bilde med tittelen Beregn oppdrift trinn 8

2. Fyll den indre beholderen til randen. Fyll nå den lille indre beholderen med vann. Pass på at du fyller den til randen uten å søle. Vær forsiktig! Hvis du søler vann, tøm den større beholderen før du prøver igjen.

For formålet med dette eksperimentet er det trygt å anta at vann har en standardtetthet på 1.000 kg/m. Med mindre du bruker saltvann eller en helt annen væske, vil de fleste vann ha en tetthet nær nok denne referanseverdien til at en liten forskjell ikke vil endre resultatene våre.

Har du pipette kan denne være svært nyttig for riktig omfordeling av vannet i den indre beholderen.

Bilde med tittelen Beregn oppdriftstrinn 9

3. Senk en liten gjenstand i vannet. Finn nå en liten gjenstand som får plass i den indre beholderen som tåler vann. Bestem massen til dette objektet i kilogram (du kan bruke en skala eller vekt som angir vekten i gram, og deretter konvertere den til kilo). Dypp den deretter sakte og jevnt under vannet til den begynner å flyte eller du knapt kan holde den, hvoretter du lar den gå. Noe av vannet i den indre beholderen vil søle over kanten og inn i den ytre beholderen.

For formålet med vårt eksempel, la oss si at vi legger en lekebil med en masse på 0,05 kg i den indre beholderen. Vi trenger ikke å beregne volumet til bilen for å beregne oppdriftskraften, som vi vil se i neste trinn.

Bilde med tittelen Calculate Booyancy Step 10

4. Ha det overfylte vannet i et glass. Når vi senker en gjenstand i vann, blir noe av det fortrengt. Hvis den ikke gjorde det, ville det ikke vært plass for gjenstanden til å synke ned i vannet. Når vannet skyves bort av objektet, skyver vannet tilbake, noe som resulterer i flytende kraft. Ta vannet som har rennt inn i den ytre beholderen og hell det i et lite målebeger. Vannmengden i målebegeret skal være omtrent lik volumet til den nedsenkede gjenstanden.

Med andre ord, hvis objektet ditt flyter, er volumet av det sølt vannet lik volumet av objektet som er under vannoverflaten. Hvis gjenstanden synker, vil volumet av vann som søles være lik volumet til hele gjenstanden.

Bilde med tittelen Calculate Booyancy Step 11

5. Beregn vekten av det sølt vannet. Siden du kjenner tettheten til vann og kan måle volumet av vannet som er sølt med målebegeret, vet du også massen. Konverter volumet til m (a online konverteringsverktøy nyttig) og multipliser den med tettheten til vann (1.000 kg/m).

Fortsetter med vårt eksempel, anta at lekebilen vår sank ned i den innerste beholderen og fortrengte omtrent to spiseskjeer vann (0,00003 m). For å finne massen til vannet multipliserer vi den med tettheten: 1.000 kg/m × 0,00003 m = 0,03 kg.

Bilde med tittelen Calculate Booyancy Step 12

6. Sammenlign massen til det fortrengte vannet med gjenstandens masse. Nå som du vet massen til både objektet nedsenket i vann og massen til det fortrengte vannet, kan du sammenligne begge for å se hvilken som er størst. Hvis massen til det nedsenkede objektet er større enn det fortrengte vannet, burde det ha sunket. På den annen side, hvis massen til det fortrengte vannet er større, må gjenstanden ha flytet. Dette er prinsippet om oppdrift i aksjon - for å holde seg flytende som en gjenstand, må den fortrenge en vannmasse som er større enn selve gjenstanden.

Så, lav masse, men høyt volum objekter er de mest spenstige objekttypene. Denne egenskapen gjør at hule gjenstander opplever en sterk oppdriftskraft. Tenk på en kano - Den flyter godt fordi den er hul, så en kano kan flytte mye vann uten veldig høy masse. Hvis kanoer ikke var hule, ville de ikke flyte særlig godt.

I vårt eksempel har bilen en større masse (0,05 kg) enn det fortrengte vannet (0,03 kg). Dette er i tråd med det vi observerte: Bilen sank.