Den flytande kraften är en kraft som är motsatt gravitationen, som påverkar alla föremål som är nedsänkta i en vätska. När ett föremål placeras i en vätska pressar objektets massa mot vätskan (vätska eller gas), medan flytkraften skjuter föremålet mot gravitationen. I allmänna termer kan denna flytande kraft beräknas med ekvationen Fa = Vt × × g, med Fa är den flytande kraften, Vt är volymen på det nedsänkta föremålet, är vätskans densitet och g är gravitationskraften. För att lära dig hur du bestämmer ett objekts flytförmåga, se steg 1 nedan för att komma igång.
Steg
Metod 1 av 2: Användning av flytkraftsekvationen
Steg 1. Hitta volymen för objektets nedsänkta del
Den flytande kraften som verkar på ett objekt är proportionell mot volymen av det nedsänkta föremålet. Med andra ord, ju större den nedsänkta fasta delen av föremålet är, desto större är den flytande kraften som verkar på föremålet. Det betyder att föremål som är nedsänkta i en vätska har en flytkraft som skjuter upp objektet. För att börja beräkna flytkraften som verkar på ett föremål är ditt första steg vanligtvis att bestämma volymen av föremålet som är nedsänkt i vätskan. För flytkraftsekvationen bör detta värde vara i meter3.
- För ett objekt som är helt nedsänkt i en vätska är volymen nedsänkt lika med volymen på själva föremålet. För objekt som flyter över vätskans yta beräknas endast volymen under ytan.
- Anta till exempel att vi vill hitta den flytande kraften som verkar på en gummikula som flyter på vatten. Om gummikulan är en perfekt sfär med en diameter på 1 m och flyter med hälften av den nedsänkt under vatten, kan vi hitta volymen på den nedsänkta delen genom att hitta sfärens totala volym och dela med två. Eftersom sfärens volym är (4/3) (radie)3, vi vet att volymen på vår sfär är (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 meter3. 0, 524/2 = 0,262 meter3 handfat.
Steg 2. Hitta densiteten för din vätska
Nästa steg i processen att hitta flyt är att definiera densiteten (i kilogram/meter3) av vätskan i vilken föremålet är nedsänkt. Densitet är ett mått på massan av ett föremål eller ämne i förhållande till dess volym. Om det ges två objekt med samma volym kommer objektet med större densitet att ha mer massa. Enligt regeln, ju större densitet av vätskan i vilken föremålet är nedsänkt, desto större flytkraft. Med vätskor är vanligtvis det enklaste sättet att bestämma densitet helt enkelt att leta upp det i ett referensmaterial.
- I vårt exempel flyter vår boll i vatten. Genom att titta på akademiska källor kan vi upptäcka att vatten har en densitet på ca. 1 000 kilo/meter3.
- Andra allmänt använda vätsketätheter anges i tekniska källor. En av listorna hittar du här.
Steg 3. Hitta tyngdkraften (eller någon annan nedåtriktad kraft)
Oavsett om ett föremål sjunker eller flyter i en vätska, har det alltid en gravitationskraft. I den verkliga världen är den nedåtriktade kraftkonstanten lika med 9,81 newton/kilogram. Men i situationer där andra krafter, såsom centrifugalkraften, verkar på vätskan och föremålet som är nedsänkt i den, måste denna kraft också beaktas för att bestämma nettokraften nedåt för hela systemet.
- I vårt exempel arbetar vi med ett vanligt, statiskt system, så vi kan anta att den enda nedåtriktade kraften som verkar på vätskor och föremål är den allmänna gravitationskraften - 9,81 newton/kilogram.
- Men vad händer om vår boll, som flyter i en hink med vatten, svängs i en cirkel i horisontell riktning med hög hastighet? I det här fallet, förutsatt att skopan svängs tillräckligt snabbt för att vattnet och bollen inte ska spillas, kommer den nedåtgående kraften i denna situation att härledas från den centrifugalkraft som skapas av skopans svängning, inte från jordens gravitation.
Steg 4. Multiplicera volym × densitet × gravitation
Om du har volymvärdet för ditt objekt (i meter3), densiteten för din vätska (i kilogram/meter3) och tyngdkraften (den nedåtriktade kraften på ditt system), så att hitta flyt är mycket enkelt. Multiplicera bara dessa tre värden för att hitta den flytande kraften i newton.
Låt oss lösa vårt exempelproblem genom att ansluta våra värden till ekvationen Fa = Vt × × g. Fa = 0,262 meter3 × 1 000 kg/meter3 × 9,81 newton/kilogram = 2 570 newton.
Steg 5. Se om ditt objekt flyter genom att jämföra flytkraften med gravitationskraften
Med flytkraftsekvationen är det lätt att hitta kraften som driver ett föremål upp och ut ur vätskan. Men med lite extra ansträngning är det också möjligt att avgöra om ett föremål kommer att flyta eller sjunka. Hitta bara flytkraften för hela objektet (med andra ord, använd hela volymen för värdet av Vt), hitta sedan gravitationskraften som trycker ner den med ekvationen G = (objektets massa) (9,81 meter/sekund2). Om flytkraften är större än gravitationskraften flyter objektet. Å andra sidan, om gravitationskraften är större än den flytande kraften, kommer objektet att sjunka. Om storleken är densamma sägs det att objektet flyter.
-
Till exempel, säg att vi vill veta om ett cylindriskt fat med en massa på 20 kilo och en diameter på 0,75 m och en höjd av 1,25 m kommer att flyta i vatten. Detta problem kommer att använda flera steg:
- Vi kan hitta volymen med formeln för cylinderns volym V = (radie)2(lång). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 meter3.
- Om vi sedan antar att tyngdkraften är vanlig och vatten med vanlig densitet kan vi hitta pipans flytkraft. 0,55 meter3 × 1000 kg/meter3 × 9,81 newton/kilogram = 5 395, 5 newton.
- Nu måste vi hitta fatets gravitationskraft. G = (20 kg) (9,81 meter/sekund2) = 196,2 newton. Denna kraft är mindre än den flytande kraften, så pipan kommer att flyta.
Steg 6. Använd samma metod om din vätska är en gas
När du arbetar med flytproblem, glöm inte att vätskan i vilken föremålet är nedsänkt inte behöver vara en vätska. Gaser är också vätskor, och även om gaser har en mycket låg densitet jämfört med andra ämnen, kan de fortfarande stödja vissa massor av föremål som flyter i gasen. En enkel heliumballong är ett bevis på det. Eftersom gasen i ballongen är mindre tät än den omgivande vätskan (omgivande luft), flyter ballongen!
Metod 2 av 2: Utför ett enkelt flytförlopp
Steg 1. Lägg en liten skål eller kopp i en större skål
Med några hushållsartiklar är det lätt att se principerna för flytkraft i experiment! I detta enkla experiment kommer vi att visa att ett nedsänkt objekt upplever en flytande kraft eftersom det förskjuter en volym vätska lika med volymen av det nedsänkta föremålet. När vi gör detta kommer vi också att visa ett praktiskt sätt att hitta ett objekts flytande kraft med detta experiment. För att börja, placera en liten, öppen behållare, till exempel en skål eller kopp, inuti en större behållare, till exempel en stor skål eller hink.
Steg 2. Fyll den lilla behållaren till brädden
Fyll sedan den mindre inre behållaren med vatten. Du vill att vattnet ska vara lika högt som behållaren utan att spillas. Var försiktig här! Om du spiller vatten, töm den större behållaren innan du försöker igen.
- För detta experiment är det okej att anta att vatten har en allmän densitet på 1000 kg/meter3. Om du inte använder havsvatten eller en helt annan vätska har de flesta typer av vatten nästan samma densitet som detta referensvärde, så en liten skillnad förändrar inte våra resultat.
- Om du har ögondroppar kan detta vara mycket användbart för att höja vattennivån i en liten behållare.
Steg 3. Sänk ner det lilla föremålet
Leta sedan efter ett litet föremål som passar in i en liten behållare och inte skadas av vatten. Hitta massan av detta objekt i kilogram (du kanske vill använda en skala eller balans som kan ta gram och omvandla dem till kilogram). Doppa sedan föremålet i vattnet utan att bli fingrarna våta, sakta men säkert, tills det börjar flyta eller så kan du hålla det något och sedan släppa det. Du kommer att märka att en del av vattnet i den lilla behållaren kommer att spillas ut i den yttre behållaren.
I vårt exempel antar vi att vi doppar en leksaksbil med en massa på 0,05 kilo i en liten behållare. Vi behöver inte veta volymen på denna bil för att beräkna dess flytförmåga eftersom vi får se det i nästa steg
Steg 4. Samla upp och räkna ut det spillda vattnet
När du sänker ett föremål i vatten förskjuter det en del av vattnet - annars kommer det inte att finnas någon plats att placera föremålet i vattnet. När ett föremål trycker ut vattnet trycker vattnet tillbaka, vilket skapar en flytkraft. Ta ut det spillda vattnet från en liten behållare och häll det i en liten mätkopp. Vattenvolymen i mätkoppen är lika med volymen för objektet som är nedsänkt.
Med andra ord, om ditt föremål flyter, kommer vattenmängden som rinner ut att vara lika med volymen på föremålet som är nedsänkt under vattenytan. Om ditt objekt sjunker är volymen vatten som rinner ut lika med objektets totala volym
Steg 5. Beräkna massan av det spillda vattnet
Eftersom du känner till vattnets densitet och du kan mäta vattenmängden som rinner ut i mätkoppen kan du hitta dess massa. Ändra bara volymen till meter3 (online -konverteringshjälpmedel, som det här, kan hjälpa) och multiplicera med vattentätheten (1000 kilogram/meter3).
I vårt exempel, anta att vår leksaksbil sjunker ner i en liten behållare och rör sig ungefär två matskedar (0,0003 meter3). För att hitta massan av vårt vatten, multiplicerar vi det med dess densitet: 1 000 kg/meter3 × 0,0003 meter3 = 0,03 kilo.
Steg 6. Jämför massan av det spillda vattnet med föremålets massa
Nu när du vet massan av objektet du sänker ner i vattnet och massan av vattnet som har spillts, jämför dem för att se vilken massa som är större. Om massan av ett föremål som är nedsänkt i en liten behållare är större än det spillda vattnet sjunker föremålet. Å andra sidan, om massan av det spillda vattnet är större, kommer objektet att flyta. Detta är principen för flytkraft i experiment - för att ett objekt ska flyta måste det förskjuta en mängd vatten med en massa som är större än själva objektets massa.
- Således är objekt med låg massa men stor volym de typer av objekt som flyter lättast. Denna egenskap innebär att ihåliga föremål flyter mycket lätt. Föreställ dig en kanot - kanoten flyter bra eftersom den är ihålig inuti, så den kan röra sig mycket vatten utan att behöva ha en stor massa. Om kanoten inte är ihålig (fast), flyter kanoten inte ordentligt.
- I vårt exempel har bilen en större massa (0,05 kilo) än det spillda vattnet (0,03 kilo). Detta stämmer överens med vad vi observerar: bilarna sjunker.
