Den flydende kraft er en kraft modsat tyngdekraften, som påvirker alle objekter, der er nedsænket i en væske. Når et objekt placeres i en væske, presser objektets masse mod væsken (væske eller gas), mens den flydende kraft skubber objektet mod tyngdekraften. Generelt kan denne flydende kraft beregnes ved hjælp af ligningen F-en = Vt × × g, med F-en er den flydende kraft, Vt er volumenet af det nedsænkede objekt, er væskens densitet, og g er tyngdekraften. For at lære at bestemme et objekts opdrift, se trin 1 nedenfor for at komme i gang.
Trin
Metode 1 af 2: Brug af opdriftsligningen
Trin 1. Find lydstyrken på den nedsænkede del af objektet
Den flydende kraft, der virker på et objekt, er proportional med volumenet af det nedsænkede objekt. Med andre ord, jo større den neddykkede faste del af objektet er, desto større er den flydende kraft, der virker på objektet. Det betyder, at genstande, der er nedsænket i en væske, har en flydende kraft, der skubber objektet op. For at begynde at beregne den flydende kraft, der virker på et objekt, er dit første trin normalt at bestemme volumenet af objektet nedsænket i væsken. For ligningen af opdrift skal denne værdi være i meter3.
- For et objekt, der er helt nedsænket i en væske, er det nedsænkede volumen lig med selve objektets volumen. For objekter, der flyder over væskens overflade, beregnes kun volumenet under overfladen.
- Antag for eksempel, at vi vil finde den flydende kraft, der virker på en gummikugle, der flyder på vand. Hvis gummikuglen er en perfekt kugle med en diameter på 1 m og flyder med halvdelen af den nedsænket under vand, kan vi finde volumenet af den nedsænkede del ved at finde kuglens samlede volumen og dividere med to. Da kuglens volumen er (4/3) (radius)3, vi ved, at volumen i vores kugle er (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 meter3. 0, 524/2 = 0,262 meter3 håndvask.
Trin 2. Find densiteten af din væske
Det næste trin i processen med at finde opdrift er at definere densiteten (i kilogram/meter3) af væsken, hvor objektet er nedsænket. Densitet er en måling af massen af et objekt eller stof i forhold til dets volumen. Hvis der gives to objekter med samme volumen, vil objektet med den større tæthed have mere masse. Ifølge reglen, jo større densitet af væsken, hvor objektet er nedsænket, desto større flydende kraft. Med væsker er den letteste måde at bestemme densitet som regel simpelthen at slå det op i et referencemateriale.
- I vores eksempel flyder vores bold i vand. Ved at kigge på akademiske kilder kan vi konstatere, at vand har en densitet på ca. 1.000 kg/meter3.
- Andre meget anvendte væsketætheder er anført i tekniske kilder. En af listerne kan findes her.
Trin 3. Find tyngdekraften (eller en anden nedadgående kraft)
Uanset om et objekt synker eller flyder i en væske, har det altid en tyngdekraft. I den virkelige verden er den nedadgående kraftkonstant lig med 9,81 newton/kg. I situationer, hvor andre kræfter, såsom centrifugalkraften, virker på væsken og objektet nedsænket i den, skal denne kraft imidlertid også tages i betragtning for at bestemme nettokraften nedad for hele systemet.
- I vores eksempel arbejder vi med et almindeligt, statisk system, så vi kan antage, at den eneste nedadgående kraft, der virker på væsker og objekter, er den generelle tyngdekraft - 9,81 newton/kg.
- Men hvad nu hvis vores bold, der flyder i en spand vand, svinges i en cirkel i vandret retning ved høj hastighed? I dette tilfælde, hvis spanden svinges hurtigt nok til, at vandet og bolden ikke spildes, vil den nedadgående kraft i denne situation blive afledt af den centrifugalkraft, der skabes af skovlens svingning, ikke fra Jordens tyngdekraft.
Trin 4. Multiplicer volumen × densitet × tyngdekraft
Hvis du har volumenværdien af dit objekt (i meter3), densiteten af din væske (i kilogram/meter3) og tyngdekraften (den nedadgående kraft på dit system), så det er meget let at finde opdrift. Gang bare disse tre værdier for at finde den flydende kraft i newton.
Lad os løse vores eksempelproblem ved at tilslutte vores værdier til ligningen F-en = Vt × × g. F-en = 0,262 meter3 × 1.000 kg/meter3 × 9,81 newton/kilogram = 2.570 newton.
Trin 5. Se om dit objekt flyder ved at sammenligne opdriften med tyngdekraften
Ved hjælp af opdriftsligningen er det let at finde den kraft, der skubber et objekt op og ud af væsken. Men med lidt ekstra indsats er det også muligt at afgøre, om et objekt vil flyde eller synke. Find bare den flydende kraft for hele objektet (med andre ord, brug hele volumenet til værdien af Vt), så find tyngdekraften, der skubber den ned med ligningen G = (objektets masse) (9,81 meter/sekund2). Hvis den flydende kraft er større end tyngdekraften, flyder objektet. På den anden side, hvis tyngdekraften er større end den flydende kraft, vil objektet synke. Hvis størrelserne er de samme, siges objektet at flyde.
-
Sig f.eks., At vi vil vide, om en cylindrisk tønde af træ med en masse på 20 kg og en diameter på 0,75 m og en højde på 1,25 m vil flyde i vand. Dette problem vil bruge flere trin:
- Vi kan finde volumen med formlen for cylinderens volumen V = (radius)2(høj). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 meter3.
- Under antagelse af, at tyngdekraftens størrelse er almindelig og vand med almindelig densitet, kan vi finde tøndeens flydende kraft. 0,55 meter3 × 1000 kg/meter3 × 9,81 newton/kilogram = 5.395, 5 newton.
- Nu skal vi finde tøndeens tyngdekraft. G = (20 kg) (9,81 meter/sekund2) = 196,2 newton. Denne kraft er mindre end den flydende kraft, så tønden flyder.
Trin 6. Brug den samme fremgangsmåde, hvis din væske er en gas
Når du arbejder med opdriftsproblemer, skal du ikke glemme, at væsken, som objektet er nedsænket i, ikke behøver at være en væske. Gasser er også væsker, og selvom gasser har en meget lav densitet i forhold til andre stoffer, kan de stadig understøtte visse masser af objekter, der flyder i gassen. En simpel heliumballon er bevis på det. Fordi gassen i ballonen er mindre tæt end den omgivende væske (omgivende luft), flyder ballonen!
Metode 2 af 2: Udførelse af et simpelt opdriftseksperiment
Trin 1. Læg en lille skål eller kop inde i en større skål
Med nogle husholdningsartikler er det let at se principperne for opdrift i eksperiment! I dette enkle eksperiment vil vi demonstrere, at et nedsænket objekt oplever en flydende kraft, fordi det fortrænger et volumen væske, der er lig med volumenet af det nedsænkede objekt. Når vi gør dette, vil vi også demonstrere en praktisk måde at finde et objekts flydende kraft med dette eksperiment. For at starte skal du placere en lille, åben beholder, f.eks. En skål eller kop, i en større beholder, f.eks. En stor skål eller spand.
Trin 2. Fyld den lille beholder til randen
Fyld derefter den mindre indre beholder med vand. Du vil have vandet til at være lige så højt som beholderen uden at spilde. Vær forsigtig her! Hvis du spilder vand, skal du tømme den større beholder, før du prøver igen.
- I forbindelse med dette forsøg er det i orden at antage, at vand har en generel densitet på 1000 kg/meter3. Medmindre du bruger havvand eller en helt anden væske, har de fleste typer vand næsten samme densitet som denne referenceværdi, så en lille forskel ændrer ikke vores resultater.
- Hvis du har øjendråber, kan dette være meget nyttigt til at hæve vandstanden i en lille beholder.
Trin 3. Sænk den lille genstand ned
Se derefter efter en lille genstand, der passer ind i en lille beholder og ikke bliver beskadiget af vand. Find massen af dette objekt i kilogram (du vil måske bruge en vægt eller balance, der kan tage gram og konvertere dem til kilogram). Dyp derefter objektet i vandet, uden at det bliver vådt, langsomt men sikkert, indtil det begynder at flyde, eller du kan holde det let og derefter slippe det. Du vil bemærke, at noget af vandet i den lille beholder vil spilde i den ydre beholder.
I vores eksempel antager vi, at vi dypper en legetøjsbil med en masse på 0,05 kilo i en lille beholder. Vi behøver ikke at kende volumen på denne bil for at beregne dens opdrift, fordi vi ser det i næste trin
Trin 4. Saml og tæl det spildte vand
Når du nedsænker et objekt i vand, fortrænger det noget af vandet - ellers vil der ikke være noget sted at lægge objektet i vandet. Når en genstand skubber vandet ud, skubber vandet tilbage og skaber en flydende kraft. Tag det spildte vand fra en lille beholder og hæld det i en lille målebæger. Vandmængden i målekoppen er lig med mængden af objektet, der er nedsænket.
Med andre ord, hvis dit objekt flyder, vil mængden af vand, der spildes ud, være lig med mængden af objektet, der er nedsænket under vandets overflade. Hvis din genstand synker, er mængden af vand, der spildes, lig med objektets samlede volumen
Trin 5. Beregn massen af det spildte vand
Da du kender tætheden af vand, og du kan måle mængden af vand, der spilder i målekoppen, kan du finde dens masse. Skift bare lydstyrken til meter3 (online konverteringshjælpemidler, som denne, kan hjælpe) og formere sig med vandets tæthed (1.000 kg/meter3).
I vores eksempel, antag at vores legetøjsbil synker ned i en lille beholder og bevæger sig omkring to spiseskefulde (0,0003 meter3). For at finde massen af vores vand vil vi gange det med dens densitet: 1.000 kg/meter3 × 0,0003 meter3 = 0,03 kilo.
Trin 6. Sammenlign massen af det spildte vand med objektets masse
Nu hvor du kender massen af det objekt, du nedsænker i vandet, og massen af det vand, der er spildt, skal du sammenligne dem for at se, hvilken masse der er større. Hvis massen af et objekt nedsænket i en lille beholder er større end det spildte vand, synker objektet. På den anden side, hvis massen af det spildte vand er større, flyder objektet. Dette er opdriftsprincippet i eksperiment - for at et objekt skal flyde, skal det fortrænge en mængde vand med en masse, der er større end selve objektets masse.
- Således er objekter med lav masse, men stor volumen de typer objekter, der flyder lettest. Denne egenskab betyder, at hule genstande flyder meget let. Forestil dig en kano - kanoen flyder godt, fordi den er hul indeni, så den kan flytte meget vand uden at skulle have en stor masse. Hvis kanoen ikke er hul (fast), vil kanoen ikke flyde ordentligt.
- I vores eksempel har bilen en større masse (0,05 kg) end det spildte vand (0,03 kg). Dette stemmer overens med det, vi observerer: bilerne synker.
