Sådan beregnes opdrift (med billeder)

Opdrift er den kraft, der virker modsat tyngdekraften, der påvirker alle genstande nedsænket i en væske. Når et objekt er anbragt i en væske, skubber objektets vægt ned på væsken (flydende eller gas), mens en opadgående opadgående kraft skubber opad på objektet, der virker mod tyngdekraften. Generelt kan denne opdriftskraft beregnes med ligningen F_B = V_S × D × G, hvor F_B er den opdriftskraft, der handler på objektet, v_S er det nedsænkede volumen af objektet, D er densiteten af væsken. Objektet er nedsænket i, og G er tyngdekraften. For at lære at bestemme en objekts opdrift, se trin 1 nedenfor for at komme i gang.

Trin

Metode 1 af 2:

Ved hjælp af opdriftskraftekvationen

Find lydstyrken af den nedsænket del af objektet. Kraften af opdrift, der virker på et objekt, er direkte proportional med mængden af objektet, der er nedsænket. Med andre ord, jo mere af et solidt objekt, der er nedsænket, jo større kraften af opdrift, der virker på det. Det betyder, at selv genstande, der synker i væske, har en opdriftskraft, der skubber opad på dem. For at begynde at beregne opdriftskraften, der virker på et objekt, skal dit første skridt generelt være at bestemme mængden af objektet, der er nedsænket i væske. For opdriftskraftekvationen skal denne værdi være i meter.

For objekter, der er helt nedsænket i væske, vil det nedsænkede volumen være lig med selve objektets volumen. For objekter, der flyder på overfladen af en væske, overvejes kun volumenet under overfladen af væsken.
Som et eksempel, lad os sige, at vi ønsker at finde den opdriftskraft, der virker på en gummibold, der flyder i vand. Hvis bolden er en perfekt kugle med en diameter på 1 meter (3.3 ft) Og det flyder præcis halvvejs nedsænket i vandet, kan vi finde volumenet af den nedsænket del ved at finde volumenet af hele bolden og dividere den i halvdelen. Da volumenet af en sfære er (4/3) π (radius), kender vi vores boldvolumen er (4/3) π (0.5) = 0.524 meter. 0.524/2 = 0.262 meter nedsænket.

Billede med titlen Beregn opdrift Trin 2

Find tætheden af din væske. Det næste skridt i processen med at finde opdriftskraften er at definere densiteten (i kg / meter) af væsken, som objektet er nedsænket i. Densitet er et mål for en genstand eller stofs vægt i forhold til dets volumen. I betragtning af to genstande af lige volumen vil objektet med den højere densitet veje mere. Som regel er jo højere tætheden af væsken et objekt nedsænket i, jo større kraften af opdrift. Med væsker er det generelt nemmest at bestemme densiteten ved blot at se det op i referencematerialer.

I vores eksempel er vores bold flydende i vand. Ved at konsultere en akademisk kilde kan vi finde ud af, at vandet har en tæthed på omkring 1.000 kg / meter.

Tæthederne i mange andre almindelige væsker er anført i ingeniørressourcer. En sådan liste kan findes her.

Billede med titlen Beregn opdrift Trin 3

3. Find tyngdekraften (eller en anden nedadgående kraft). Hvorvidt et objekt synker eller flyder i væsken, det er nedsænket i, er det altid underlagt tyngdekraften. I den virkelige verden er denne konstante nedadgående kraft lig med ca 9.81 Newtons / Kilogram. I situationer, hvor en anden kraft, som centrifugalkraft, handler på væsken og objektet, der er nedsænket i det, skal dette også tages i betragtning for at bestemme det samlede beløb "nedadgående" kraft til hele systemet.

I vores eksempel, hvis vi beskæftiger os med et almindeligt stationært system, kan vi antage, at den eneste nedadgående kraft, der virker på væsken og objektet, er standardstyrken af tyngdekraften - 9.81 Newtons / Kilogram.

Billedet med titlen Beregn opdrift Trin 4

4. Multiplicer Volume × Density × Gravity. Når du har værdier for volumenet af dit objekt (i meter), er densiteten af din væske (i kg / meter) og tyngdekraften (eller nedadgående kraft i dit system i newtons / kg), at finde opdriftskraften det er nemt. Simpelthen multiplicere disse 3 mængder for at finde kraften af opdrift i newtons.

Lad os løse vores eksempelproblem ved at tilslutte vores værdier i ligningen F_B = V_S × D × G. F_B = 0.262 meter × 1000 kg / meter × 9.81 Newtons / Kilogram = 2.570 newtons. De andre enheder annullerer hinanden ud og forlader dig med newtons.

Billedet med titlen Beregn opdrift Trin 5

5. Find om dit objekt flyder ved at sammenligne med sin tyngdekraftstyrke. Ved hjælp af opdriftskraftekvationen er det nemt at finde den kraft, der skubber en objekt op ud af væsken, det er nedsænket i. Men med et lille ekstra arbejde er det også muligt at afgøre, om objektet vil flyde eller synke. Du skal blot finde opdriftskraften for hele objektet (med andre ord, brug hele dets volumen som V_S), så find tyngdekraften, der skubber den ned med ligningen G = (masse af objekt) (9.81 meter / sekund). Hvis kraften af opdrift er større end tyngdekraften, vil objektet flyde. På den anden side, hvis tyngdekraften er større, vil den synke. Hvis de er ens, siges objektet at være neutralt buoyant.

Et neutralt flydende objekt vil ikke flyde op til overfladen eller synke ned til bunden, når den er i vand. Det vil bare blive suspenderet i væsken et eller andet sted mellem toppen og bunden.

For eksempel lad os sige, at vi vil vide, om en 20 kg cylindrisk træ tønde med en diameter på .75 meter (2.5 ft) og en højde på 1.25 meter (4.1 ft) vil flyde i vand. Dette vil tage flere trin:

Vi kan finde sit volumen med den cylindriske volumenformel V = π (radius) (højde). V = π (.375) (1.25) = 0.55 meter.

Derefter under forudsætning af almindelig tyngdekraft og vand med almindelig densitet kan vi løse for kraften af opdrift på tønderen. 0.55 meter × 1000 kg / meter × 9.81 Newtons / Kilogram = 5,395.5 Newtons.

Nu skal vi finde tyngdekraften på tønderen. G = (20 kg) (9.81 meter / sekund) = 196.2 newtons. Dette er meget mindre end opdriftskraften, så tønderen vil flyde.

Billedbet med titlen Beregn opdrift Trin 6

6. Brug den samme tilgang, når din væske er en gas. Når du udfører opdriftsproblemer, skal du ikke glemme, at væsken, som objektet er nedsænket, ikke nødvendigvis skal være en væske. Gasser tæller også som væsker, og selvom de har meget lave tætheder sammenlignet med andre typer materialer, kan stadig understøtte vægten af visse objekter, der flyder i dem. En simpel heliumballon er tegn på dette. Fordi gassen i ballonen er mindre tæt end væsken omkring den (almindelig luft), flyder den!

Metode 2 af 2:

Udfører et simpelt opdriftsforsøg

1. Placer en lille skål eller kop inde i en større. Med et par husholdningsartikler er det nemt at se principperne om opdrift i aktion! I dette simple eksperiment viser vi, at et nedsænket objekt oplever opdrift, fordi det forskyder et volumenvolumen svarende til volumenet af objektet nedsænket. Som vi gør dette, vil vi også demonstrere, hvordan vi praktisk talt finder en objekts opdriftskraft med dette eksperiment. For at begynde skal du placere en lille åben beholder, som en skål eller en kop, inde i en større beholder, som stor en skål eller en spand.

Billedet med titlen Beregn opdrift Trin 8

2. Fyld den indre beholder til brimmen. Dernæst fyld den lille indre beholder med vand. Du vil have vandniveauet at være på toppen af beholderen uden at spilde. Pas på her! Hvis du spilder vand, tøm den større beholder, før du prøver igen.

I forbindelse med dette forsøg er det sikkert at antage, at vand har en standard tæthed på 1000 kg / meter. Medmindre du bruger saltvand eller en anden væske helt, vil de fleste vandtyper have en tæthed tæt nok til denne referenceværdi, at enhver mindre forskel ikke ændrer vores resultater.

Hvis du har en eyedropper praktisk, kan det være meget nyttigt for præcist udjævning af vandet i den indre beholder.

Billede med titlen Beregn opdrift Trin 9

3. Sænk et lille objekt. Derefter finder du et lille objekt, der kan passe ind i den indre beholder og ikke blive beskadiget af vand. Find dette objekts masse i kg (du måske vil bruge en skala eller balance, der kan give dig gram og konvertere op til kg). Så uden at lade fingrene blive våde, langsomt og stadigt dyppe dette i vandet, indtil det begynder at flyde, eller du kan bare næppe holde fast på det, så lad gå. Du bør bemærke noget af vandet i det indre beholder udslip over kanten i den ydre beholder.

Med henblik på vores eksempel, lad os sige, at vi sænker en legetøjsbil med en masse på 0.05 kg ind i den indre beholder. Vi behøver ikke at kende mængden af denne bil for at beregne sin opdrift, som vi vil se i det næste trin.

Billede med titlen Beregn opdrift Trin 10

4. Indsamle og måle vandet, der springer over. Når du nedsmer et objekt i vand, forskyder det noget af vandet - hvis det ikke ville, ville der ikke være plads til at komme ind i vandet. Når det skubber dette vand ud af vejen, skubber vandet tilbage, hvilket resulterer i opdrift. Tag vandet, der spildes ud af den indre beholder og hæld den i en lille glasmåling.Vandmængden i koppen skal være lig med volumen af det nedsænkede objekt.

Med andre ord, hvis dit objekt flyder, vil mængden af vandet, der spildes over, være lig med mængden af objektet, der er nedsænket under vandets overflade. Hvis dit objekt sank, vil mængden af vandet, der springer over, lig med volumenet af hele objektet.

Billedet med titlen Beregn opdrift Trin 11

5. Beregn vægten af det spildte vand. Da du kender vanddens tæthed, og du kan måle mængden af vandet, der spildes i målekoppen, kan du finde sin masse. Simpelthen konvertere sit volumen til meter (et online konverteringsværktøj, som f.eks denne, kan være nyttigt her) og formere det ved vandets tæthed (1.000 kg / meter).

I vores eksempel lad `sige, at vores legetøjsbil sænkes ind i den indre beholder og fordrev omkring to spiseskefulde (.00003 meter). For at finde massen af vores vand, ville vi formere dette ved sin tæthed: 1.000 kg / meter × .00003 meter = 0.03 kg.

Billedet med titlen Beregn opdrift Trin 12

6. Sammenlign det fordrevne vandmasse til objektets masse. Nu hvor du kender massen af både det objekt, du nedsænket i vand og massen af det vand, det fordrev, sammenligne dem med at se, hvilket er større. Hvis massen af objektet, der er nedsænket i den indre beholder, er større end det for det fordrevne vand, skal den have nedsænket. På den anden side, hvis massen af det fordrevne vand er større, skal objektet have floated. Dette er princippet om opdrift i aktion - for et objekt at være flydende (float), skal det forskyde en mængde vand med en masse større end selve objektet.

Således er objekter med lave masser, men store mængder de mest flydende typer af objekter. Denne egenskab betyder hule objekter er særligt flydende. Tænk på en kano - det flyder godt, fordi det er hul på indersiden, så det er i stand til at forskyde meget vand uden at have en meget høj masse. Hvis kanoer var solid, ville de ikke flyde meget godt overhovedet.

I vores eksempel har bilen en højere masse (0.05 kg) end det vand, det forskydede (0.03 kg). Denne linje op med det, vi observerede: Bilen sank.