Hur man beräknar drivkraften: 12 steg (med bilder) - Tips

Innehåll

Steg
tips
Nödvändiga material

Tryck är kraften som verkar i motsatt riktning mot tyngdens riktning som påverkar alla föremål som är nedsänkta i en vätska. När ett föremål placeras i en vätska, trycker dess vikt på vätskan (vätska eller gas), medan den flytande kraften trycker objektet uppåt och verkar mot tyngdkraften. I allmänna termer kan denna kraft beräknas med ekvationen F_B = V_s × D × g, där F_B är den flytande kraften, V_s är den nedsänkta volymen, D är densiteten för vätskan i vilken föremålet är nedsänkt och g är tyngdkraften. För att lära dig bestämma objektets drivkraft, se steg 1 för att komma igång.

Steg

Metod 1 av 2: Användning av flytkraftekvationen

Hitta volymen av objektets nedsänkta del. Den flytande kraften som verkar på ett objekt är direkt proportionell mot volymen på objektet som är nedsänkt. Med andra ord, ju mer solid föremålet är, desto större är den flytande kraften som verkar på den. Detta innebär att även föremål som sjunker i en vätska har en kraft som trycker dem uppåt. För att börja beräkna denna intensitet är det första steget att bestämma volymen på objektet som är nedsänkt. För ekvationen måste detta värde vara i meter.
- För objekt som är helt nedsänkta i vätskan är den nedsänkta volymen densamma som objektet. För dem som flyter på vätskans yta beaktas endast volymen under ytan.
- Låt oss som exempel säga att vi vill hitta den flytande kraften som verkar på en gummikula som flyter i vattnet. Om bollen är en perfekt sfär med en diameter på en meter och flyter i hälften i vattnet kan vi hitta volymen på den nedsänkta delen genom att hitta den totala volymen för sfären och dela med två. Eftersom sfärens volym ges av (4/3) π (radie) är det känt att vi kommer att få ett resultat av (4/3) π (0,5) = 0,524 meter. 0,524 / 2 = 0,262 meter nedsänkt.
Hitta vätskans densitet. Nästa steg i processen att hitta den flytande kraften är att definiera densiteten (i kilogram / meter) som objektet är nedsänkt i. Densitet är ett mått på ett föremål eller ämnes relativa vikt per volym. Med tanke på två objekt med lika stor volym, väger den med den högsta densiteten mest. Som regel, desto större vätskans densitet, desto större är den flytande kraften den utövar. Med vätskor är det i allmänhet lättare att bestämma densitet genom att titta på referensmaterial.
- I vårt exempel flyter bollen i vattnet. Genom att konsultera en akademisk styrka kan vi konstatera att vattentätheten är ungefär 1000 kilo / meter.
- Densiteterna för andra vanliga vätskor listas i tekniska källor. En sådan lista finns här.
Hitta tyngdkraften (eller en annan nedåtgående kraft). Oavsett om objektet flyter eller helt nedsänkt är det alltid underlagt tyngdkraften. I den verkliga världen är denna konstant kraft lika med 9,81 Newton / kg. Men i situationer där en annan kraft, såsom centrifugen, verkar på en vätska och det nedsänkta föremålet, måste de också beaktas för att bestämma den totala nedåtgående kraften.
- I vårt exempel, om vi har att göra med ett vanligt och stationärt system, kan vi anta att den enda kraften som verkar ner är tyngdkraften som nämns ovan.
- Men vad händer om vår boll svävade i en hink med vatten och snurrade med stor hastighet i en horisontell cirkel? I det här fallet, antagande att skopan snurrar tillräckligt snabbt för att säkerställa att både vattnet och bollen inte faller, skulle den nedåtgående kraften i denna situation härledas från centrifugalkraften som skapas av skopans rörelse, inte av jordens tyngdkraft.
Multiplicera volymen × densitet × gravitation. När du har värden för volymen på ditt föremål (i meter), din vätskans densitet (i pund / meter) och tyngdkraften (eller systemets nedåtgående kraft) är det lätt att hitta den flytande kraften. Multiplicera helt enkelt dessa tre kvantiteter för att hitta kraften i newton.
- Låt oss lösa vårt exempel genom att ersätta våra värden i ekvation F_B = V_s × D × g. F_B = 0,262 meter × 1000 kilo / meter × 9,81 newton / kilo = 2570 Newton.
Ta reda på om ditt objekt flyter genom att jämföra det med tyngdkraften. Med hjälp av flytkraftekvationen är det lätt att hitta kraften som driver ett föremål ut ur vätskan i vilket det är nedsänkt. Men med lite mer arbete kan du också bestämma om objektet flyter eller sjunker. Hitta bara den flytande kraften för objektet (med andra ord, använd hela volymen som V_s), hitta sedan tyngdkraften med ekvationen G = (objektets massa) (9,81 meter / sekund). Om den flytande kraften är större än tyngdkraften kommer objektet att flyta. Men om tyngdkraften är större kommer den att sjunka. Om de är desamma sägs objektet vara "neutralt".
- Låt oss till exempel säga att vi vill veta om ett 20 kilo cylindriskt träfat med en diameter på 0,75 meter och en höjd av 1,25 meter flyter i vattnet. Detta kräver några steg:
  - Vi kan hitta dess volym med formeln V = π (radie) (höjd). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 meter.
  - Efter det att vi antar standardvärdena för tyngdkraften och vattentätheten kan vi bestämma den flytande kraften i trumman. 0,55 meter × 1000 kilo / meter × 9,81 newton / kilo = 5395,5 Newton.
  - Nu måste vi hitta gravitationskraften i fatet. G = (20 kg) (9,81 meter / sekund) = 196.2 Newton. Det är mycket mindre än den flytande kraften, så fatet flyter.
Använd samma teknik när din vätska är en gas. Kom ihåg att vätskan inte behöver vara en vätska när du löser ripoproblem. Gaser betraktas också som flytande och trots att de har lägre täthet jämfört med andra typer av material kan de fortfarande stödja vikten hos vissa föremål. En enkel heliumballong är ett bevis på det. Eftersom gasen i ballongen är mindre tät än den omgivande vätskan flyter den!

Metod 2 av 2: Utför ett enkelt drivkraftsexperiment

Lägg en liten kopp eller skål i en större behållare. Med vissa hushållsartiklar är det lätt att se principerna om flytkraft i aktion! I detta enkla experiment kommer vi att visa att ett nedsänkt objekt upplever flytkraft, eftersom det förskjuter en vätskevolym lika med volymen för det nedsänkta objektet. Samtidigt som vi gör detta demonstrerar vi också hur man kan hitta ett flytande kraft i ett experiment. För att starta, placera en liten behållare, till exempel en skål eller kopp, i en större behållare, till exempel en större skål eller hink.
Fyll behållaren från insidan till kanten. Fyll sedan den större behållaren med vatten. Du vill att vattennivån ska vara över kanten utan att tippa över. Var försiktig! Om du spiller vatten, töm den större behållaren innan du försöker igen.
- För detta experiment är det säkert att anta att vatten har densitet för vatten har ett standardvärde på 1000 kilo / meter. Om du inte använder saltvatten eller en annan vätska har de flesta typer av vatten en densitet nära referensen.
- Om du har en droppare kan det vara mycket användbart att kontrollera vattennivån i den inre behållaren.
Sänk ned ett litet objekt. Hitta nu ett litet föremål som passar inuti den inre behållaren och inte skadas av vatten. Hitta massan på detta objekt i kilogram (använd en skala för detta). Sedan, utan att få fingrarna våta, fördjupa föremålet i vatten tills det börjar flyta eller så kan du inte längre hålla det. Du bör märka att vatten från den inre behållaren rinner ut i den yttre behållaren.
- För vårt exempel kan vi säga att vi placerar en leksaksvagn med en massa på 0,05 kg inuti den inre behållaren. Vi behöver inte veta bilens volym för att beräkna drivkraften, som vi kommer att se nästa.
Samla upp och mät vattnet du har spillt. När du sänker ett föremål i vatten inträffar en förskjutning av vatten; om det inte gjorde det, skulle det inte finnas utrymme för honom att komma i vattnet. När han trycker på vätskan skjuter vattnet tillbaka och orsakar drivkraften. Ta vattnet som du har spillt och lägg det i en mätkopp. Vattens volym måste vara densamma som den nedsänkta volymen.
- Med andra ord, om ditt objekt flyter, kommer volymen med vatten du spilla lika med volymen på objektet nedsänkt i vattnet. Om ditt objekt sjunker är volymen vatten som det spills lika med volymen för hela objektet.
Beräkna vikten på det spillda vattnet. Eftersom du känner till vattentätheten och kan mäta volymen som har spillts kan du hitta massan. Konvertera helt enkelt volymen till meter (ett online-konverteringsverktyg, som det här, kan vara användbart) och multiplicera med vattentätheten (1000 kilo / meter).
- Låt oss i vårt exempel säga att vår vagn sjönk och rörde sig om två matskedar (0,00003 meter).För att hitta massan på vattnet multiplicerar vi med dess densitet: 1000 kilo / meter × 0,00003 meter = 0,03 kilo.
Jämför den förskjutna volymen med objektets massa. Nu när du känner till den nedsänkta massan och den förskjutna massan, jämför dem för att se vilken som är större. Om massan på det nedsänkta föremålet i den inre behållaren är större än den förskjutna vattenmassan, måste den ha sjunkit. Men om den förskjutna massan av vatten är större än, måste föremålet ha flyttat. Detta är principen om flytkraft; För att ett föremål ska flyta måste det förflytta en massa vatten större än objektets.
- Ändå är föremål med lägre massor men större volymer de föremål som flyter mest. Den här egenskapen innebär att ihåliga föremål flyter. Tänk på en kanot; den flyter eftersom den är ihålig, så den kan röra sig mycket vatten utan att behöva ha en stor massa. Om kanoter var solida, skulle de inte flyta bra.
- I vårt exempel har bilen en massa på 0,05 kg, större än det förträngda vattnet, 0,03 kg. Detta bekräftar vårt resultat: bilen sjunker.