gtemata.com

Cum se calculează forța hidrostatică

Forța hidrostatică este o forță care acționează în direcția opusă gravitației asupra tuturor obiectelor scufundate într-un fluid. Greutatea împinge obiectul pe lichid (lichid sau gaz) în timp ce plutitorul îl transportă în sus, contracarând gravitatea. În termeni generali, forța hidrostatică poate fi calculată folosind formula Fb

= Vs × D × g, unde Fb este forța hidrostatică, Vs este volumul imersat, D este densitatea fluidului în care este plasat obiectul și g este accelerația gravitației. Pentru a afla cum să calculați flotarea unui obiect, citiți acest ghid.

paşi

Metoda 1

Utilizați Formula de împingere hidrostatică
1
Găsiți volumul porțiunii scufundate a obiectului. Forța hidrostatică este direct proporțională cu volumul scufundat al obiectului: cu cât acesta este mai scufundat în lichid, cu atât este mai mare forța hidrostatică care acționează asupra acestuia. Această acțiune se regăsește pe orice obiect plasat într-un fluid, astfel încât prima etapă în calcularea acestei forțe ar trebui să fie întotdeauna evaluarea acestui volum care, pentru această formulă, ar trebui să fie indicată în metri3.
  • Pentru obiecte complet scufundate, acest volum este echivalent cu volumul obiectului propriu-zis. Pentru cei care plutesc la suprafață, totuși, trebuie luată în considerare numai partea care stă la baza.
  • Ca exemplu, să presupunem că vrem să luăm în considerare forța hidrostatică a unei bile de cauciuc în apă. Dacă este o sferă perfectă cu un diametru de 1 metru și dacă este exact la jumătatea drumului și pe jumătate sub apă, putem găsi volumul scufundat prin calcularea celei a întregii mingi și împărțirea acesteia la jumătate. Deoarece volumul unei sfere este (4/3) π (raza)3 , știm că mingea noastră este (4/3) π (0,5)3 = 0.524 metri3. 0,524 / 2 = 0,262 metri3 În lichid.
  • 2
    Găsiți densitatea fluidului. Următorul pas în procesul de a găsi forța hidrostatică este definirea densității (în kilograme / metri3) a lichidului în care obiectul este scufundat. Densitatea este o măsură în raport cu greutatea unui obiect sau a unei substanțe în raport cu volumul său. Având în vedere două obiecte de volum egal, cel cu densitatea cea mai mare va cântări mai mult. Ca regulă generală, cu cât este mai mare densitatea fluidului în care un obiect este scufundat, cu atât este mai mare împingerea hidrostatică. Cu lichide, este de obicei mai ușor să găsești densitatea doar prin vizionarea tabelelor legate de material.
  • În exemplul nostru, mingea plutește în apă. Prin consultarea oricărui manual, constatăm că densitatea apei este aproximativ 1000 kilograme / metru3.
  • Densitățile multor alte fluide uzuale sunt prezentate în tabelele tehnice. A fost găsită o listă de acest tip aici.
  • 3
    Găsiți forța datorată gravitației, adică forța de greutate (sau orice altă forță descendentă). Indiferent dacă obiectul fluctuează sau este complet scufundat în fluid, acesta este întotdeauna supus gravitației. În lumea reală, această constantă merită în jur 9,81 newtoni / kilograme. Mai mult, în situațiile în care o altă forță acționează, cum ar fi forța centrifugală, trebuie să luăm în considerare forța total care acționează pentru întregul sistem.
  • În exemplul nostru, dacă avem de-a face cu un sistem static simplu, putem presupune că singura forță care acționează în jos în obiectul plasat în fluid este greutatea standard - 9,81 newtoni / kilograme.
  • Oricum, ce s-ar întâmpla dacă balonul nostru ar fi plutit într-o găleată de apă transformată cu forță maximă într-un cerc orizontal? În acest caz, presupunând că găleata este rotită suficient de repede încât nici apa, nici balonul să nu iasă, forța care împinge în această situație ar rezulta din forța centrifugă folosită pentru a roti galetița, și nu de gravitatea pământului. .
  • 4
    Volumul multiplicat × densitatea × gravitația. Când cunoașteți volumul obiectului (în metri3), densitatea fluidului (în kilograme / metri3) și forța de greutate (sau că, în sistemul dvs., care împinge jos), găsiți forța flotabilității este simplă. Doar înmulțiți cele trei cantități pentru a obține un rezultat nouton.
  • Rezolvăm problema introducând valorile găsite în ecuația Fb = Vs × D × g. Fb = 0.262 metri3 × 1000 kilograme / metri3 × 9,81 newton / kilogram = 2.570 newton.
  • 5
    Aflați dacă obiectul dvs. plutește comparându-l cu greutatea sa. Folosind ecuația văzută, este ușor de găsit puterea cu care obiectul este împins din lichidul în care este scufundat. De asemenea, cu puțin efort, puteți determina dacă obiectul va pluti sau se va scufunda. Pur și simplu găsiți forța hidrostatică pentru întregul obiect (cu alte cuvinte, folosiți volumul întreg ca Vs), apoi găsiți forța de greutate cu formula G = (masa obiectului) (9,81 metri / secundă2). Dacă tracțiunea hidrostatică este mai mare decât greutatea, obiectul va pluti. Pe de altă parte, dacă este inferioară, se va scufunda. Dacă ele sunt egale, se spune că obiectul "plutește neutru".
  • De exemplu, să presupunem că vrem să știm dacă un vas cilindric de 20 kg cu un diametru de 75 m și o înălțime de 1,25 m va pluti în apă. Acest studiu va necesita mai multe etape:
  • Putem găsi volumul său cu formula cilindrului V = π (raza)2(Înălțime). V = π (0,375)2(1,25) = 0,55 metri3.
  • După care, presupunând că suntem sub acțiunea gravitației comune și având apă de densitate obișnuită, putem calcula forța hidrostatică a cilindrului. 0,55 metri3 × 1000 kilograme / metru3 × 9,81 newton / kilogram = 5,395,5 newton.
  • În acest moment, va trebui să găsim forța gravitațională care acționează asupra cilindrului (forța sa de greutate). G = (20 kg) (9,81 metri / secundă2) = 196,2 newton. Acesta din urmă este cu mult sub forța plutitoare, astfel încât cilindrul va pluti.
  • 6
    Utilizați aceeași abordare atunci când fluidul este un gaz. Când vine vorba de lichide, nu se spune că este lichid. Gazele sunt tratate ca fluide și, deși densitatea lor este foarte scăzută în comparație cu alte tipuri de materie, ele pot încă sprijini anumite obiecte care plutesc în ele. Un balon plin cu heliu este un exemplu tipic. Fiind un astfel de gaz mai puțin dens decât fluidul care îl înconjoară (aerul), acesta fluctuează!

    • Metoda 2

    Efectuați un experiment plutitor simplu
    1
    Puneți o ceașcă sau o ceașcă mică într-una mai mare. Cu câteva articole de uz casnic, este ușor să respectați principiile hidrostatice în acțiune! În acest experiment simplu, vom demonstra că un obiect de pe suprafață este flotat deoarece mută un volum de lichid egal cu volumul obiectului scufundat. De asemenea, vom putea demonstra prin acest experiment cum să găsim practic forța hidrostatică a unui obiect. Pentru a începe, puneți un castron sau o ceașcă în interiorul unui recipient mai mare, cum ar fi un bazin sau o găleată.


  • 2
    Umpleți recipientul în partea superioară. Apoi, umpleți recipientul interior mai mic cu apă. Nivelul apei trebuie să ajungă la jantă fără a ieși. Acordați o atenție deosebită acestui punct! Dacă vărsați apă, goliți recipientul mai mare înainte de a încerca din nou.
  • În scopul acestui experiment, este sigur să presupunem că apa are o densitate standard de 1.000 kilograme / metru3. Dacă nu utilizați apă sărată sau un lichid complet diferit, cele mai multe tipuri de apă vor avea o densitate suficient de apropiată de această valoare de referință, astfel încât o anumită diferență infinitezimală să nu schimbe rezultatele.
  • Dacă aveți un picurător la îndemână, acesta poate fi foarte util pentru ajustarea precisă a apei din recipientul interior.
  • 3
    Immergi un mic obiect. În acest moment, găsiți un obiect mic care se poate potrivi în interiorul recipientului interior fără a fi deteriorat de apă. Găsiți masa acestui obiect în kilograme (este mai bine să folosiți o scară sau o bară care vă poate oferi grame pe care le veți converti în kilograme). Apoi, fără a lăsa degetele să se ude, scufundați-o în apă încet și în mod constant până când începe să plutească sau o puteți ține înapoi, apoi lăsați-o să iasă. Ar trebui să observați o scurgere de apă din marginea recipientului interior și să cadă.
  • În scopul exemplului nostru, să presupunem că vom înfunda o mașină de jucărie cu o masă de 0,05 kg în containerul interior. Nu este necesar să cunoaștem volumul acestei mașini pentru a calcula flotabilitatea, după cum vom vedea în pasul următor.
  • 4
    Colectați și măsurați apa care se toarnă. Când un obiect este scufundat în apă, lichidul se mișcă - dacă nu se întâmplă, înseamnă că nu există spațiu pentru a intra în apă. Când împinge lichidul, acesta răspunde împingând la rândul său, dând naștere flotabilității. Scoateți apa din recipientul interior și turnați-o într-o ceașcă de măsurare de sticlă. Volumul apei din ceașcă trebuie să fie egal cu cel al porțiunii obiectului scufundat.
  • Cu alte cuvinte, dacă obiectul dvs. plutește, volumul apei de deasupra va fi egal cu volumul obiectului scufundat sub suprafața apei. Dacă se scufunda, volumul de apă turnat va fi egal cu volumul întregului obiect.
  • 5
    Se calculează greutatea apei vărsate. Deoarece cunoasteti densitatea apei si puteti masura volumul de apa turnat in cana de masurare, puteti gasi masa. Pur și simplu convertiți acest volum în metri3 (un instrument de conversie online, cum ar fi acest, poate ajuta) și se înmulțește cu densitatea apei (1000 kg / metri3).
  • În exemplele noastre, să presupunem că mașina noastră de jucărie se scufundă în recipientul interior și se mișcă în jurul a două lingurițe de apă (0.00003 metri3). Pentru a găsi masa de apă, trebuie să o înmulțim cu densitatea ei: 1.000 kilograme / metri3 × 0.00003 metri3 = 0,03 kg.
  • 6
    Comparați masa apei mutate cu cea a obiectului. Acum că știți masa obiectului scufundat în apă și cel al apei mutate, faceți o comparație pentru a vedea care este mai mare. Dacă masa obiectului scufundat în recipientul interior este mai mare decât cea deplasată, ar trebui să se scufunde. Pe de altă parte, dacă masa apei deplasate este mai mare, obiectul trebuie să rămână la suprafață. Acesta este principiul împingerii hidrostatice în acțiune - deoarece un obiect poate pluti, trebuie să se deplaseze un volum de apă cu o masă mai mare decât cea a obiectului însuși.
  • Astfel, obiectele cu mase mici, dar cu volume mari, sunt cele care tind cel mai mult la suprafață. Această proprietate înseamnă că obiectele goale tind să plutească. Gândiți-vă la o canoe: fluctuează bine pentru că este în interior gol, astfel încât este capabil să miște o mulțime de apă chiar fără a avea o masă foarte mare. În cazul în care canoe au fost solide, cu siguranță nu ar flota bine!
  • În exemplul nostru, masina are o masă mai mare (0,05 kilograme) decât apa (0,03 kilograme). Acest lucru confirmă ceea ce sa observat: mașina de jucărie se scufundă.

    • Sfaturi

    • Utilizați o scară sau un echilibru pe care îl puteți reinițializa la zero după fiecare citire, astfel încât să puteți găsi măsurători mai precise.

    Lucruri de care ai nevoie

    • Cupa sau ceașcă mică
    • Container mai mare sau găleată
    • Obiect mic pentru a se înmoi (ca o minge de cauciuc)
    • ceașcă de măsurare
    Afișați mai multe ... (5)
    Distribuiți pe rețelele sociale:

    înrudit