Hur man beräknar flytkraft (med bilder)

Flytkraft är kraften som verkar mittemot gravitationsriktningen som påverkar alla föremål nedsänkt i en vätska. När ett föremål placeras i en vätska, trycker objektets vikt ner på vätskan (vätska eller gas) medan en uppåtgående flytkraft trycker uppåt på objektet, som verkar mot tyngdkraften. Generellt sett kan denna flytkraft beräknas med ekvationen F_b = V_s × D × g, där f_b är den flytkraft som verkar på objektet, v_s är den nedsänkta volymen av objektet, d är densiteten hos vätskan som objektet är nedsänkt i, och G är tyngdkraften. För att lära dig hur du bestämmer ett objekts flytkraft, se steg 1 nedan för att komma igång.

Steg

Metod 1 av 2:

Med hjälp av flytkraftekvationen

Hitta volymen av den nedsänkta delen av objektet. Kraften av flytkraft som verkar på ett objekt är direkt proportionellt mot volymen av objektet som är nedsänkt. Med andra ord desto mer av ett solidt föremål som är nedsänkt, desto större är kraften av flytkraft som verkar på den. Det innebär att även föremål som sjunker i vätska har en flytkraft som trycker uppåt på dem. För att börja beräkna flytkraft som verkar på ett objekt, bör ditt första steg i allmänhet vara att bestämma volymen av objektet som är nedsänkt i vätska. För flytkraftsekvationen ska detta värde vara i meter.

För objekt som är helt nedsänkt i vätska, kommer den nedsänkta volymen att vara lika med själva objektets volym. För föremål som flyter på ytan av en vätska, beaktas endast volymen under ytan av vätskan.
Som ett exempel, låt oss säga att vi vill hitta flytkraften som agerar på en gummiboll som flyter i vatten. Om bollen är en perfekt sfär med en diameter av 1 meter (3.3 ft) och det är flytande exakt halvvägs nedsänkt i vattnet, vi kan hitta volymen av den nedsänkta delen genom att hitta volymen av hela bollen och dela den i hälften. Eftersom volymen på en sfär är (4/3) π (radie), vet vi att vår bolls volym är (4/3) π (0.5) = 0.524 meter. 0.524/2 = 0.262 meter nedsänkt.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 2

Hitta densiteten av din vätska. Nästa steg i processen att hitta flytkraften är att definiera densiteten (i kilo / meter) av vätskan som objektet är nedsänkt i. Densitet är ett mått på ett objekt eller ett substansens vikt i förhållande till dess volym. Med tanke på två objekt med lika stor volym väger objektet med den högre densiteten mer. Som regel är ju högre densiteten hos vätskan ett objekt nedsänkt i desto större kraft av flytkraft. Med vätskor är det i allmänhet lättast att bestämma densiteten helt enkelt genom att titta upp i referensmaterial.

I vårt exempel är vår boll flytande i vatten. Genom att konsultera en akademisk källa kan vi finna att vatten har en densitet av omkring 1.000 kilo / meter.

Densiteterna hos många andra vanliga vätskor är listade i ingenjörsresurser. En sådan lista kan hittas här.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 3

3. Hitta tyngdkraften (eller en annan nedåtriktad kraft). Om ett objekt sjunker eller flyter i vätskan är det nedsänkt i, är det alltid föremål för tyngdkraften. I den verkliga världen är denna konstanta nedåtgående kraft lika med omkring 9.81 Newtons / kilogram. I situationer där en annan kraft, som centrifugalkraft, verkar på vätskan och föremålet, sänks detta, måste detta också beaktas för att bestämma total "nedåt" kraft för hela systemet.

I vårt exempel, om vi har att göra med ett vanligt stationärt system, kan vi anta att den enda nedåtgående kraft som verkar på vätskan och objektet är gravitationens standardkraft - 9.81 Newtons / kilogram.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 4

4. Multiplicera volym × densitet × gravitation. När du har värden för volymen av ditt objekt (i meter), densiteten hos din vätska (i kilo / meter) och tyngdkraften (eller den nedåtgående kraften i ditt system i newtons / kilo), hitta flytkraften är lätt. Multiplicera helt enkelt dessa 3 kvantiteter för att hitta kraften av flytkraft i newtons.

Låt oss lösa vårt exempelproblem genom att ansluta våra värden till ekvationen F_b = V_s × D × g. F_b = 0.262 meter × 1.000 kilo / meter × 9.81 Newtons / kilogram = 2.570 Newtons. De andra enheterna avbryter varandra och lämnar dig med Newtons.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 5

5. Hitta om ditt objekt flyter genom att jämföra med tyngdkraften. Med hjälp av flytkraftekvationen är det lätt att hitta den kraft som driver ett objekt upp ur vätskan, det är nedsänkt i. Men med lite extra arbete är det också möjligt att avgöra om objektet kommer att flyta eller sjunka. Hitta bara flytkraften för hela objektet (med andra ord, använd hela volymen som v_s), och hitta tyngdkraften som trycker ner den med ekvationen G = (massa av objekt) (9.81 meter / sekund). Om flytkraften är större än tyngdkraften, kommer objektet att flyta. Å andra sidan, om tyngdkraften är större, kommer den att sjunka. Om de är lika, sägs objektet vara Neutryst flytande.

Ett neutralt flytande föremål kommer inte att flyta upp till ytan eller sjunka ner till botten när den är i vatten. Det kommer bara att avbrytas i vätskan någonstans mellan toppen och botten.

Till exempel, låt oss säga att vi vill veta om ett 20 kilo cylindriskt träfat med en diameter av .75 meter (2.5 ft) och en höjd av 1.25 meter (4.1 ft) kommer att flyta i vatten. Detta kommer att ta flera steg:

Vi kan hitta volymen med den cylindriska volymen Formel V = π (radie) (höjd). V = π (.375) (1.25) = 0.55 meter.

Därefter, förutsatt vanlig tyngdkraft och vatten med vanlig densitet, kan vi lösa för kraften av flytkraft på fatet. 0.55 meter × 1000 kilo / meter × 9.81 Newtons / kilogram = 5 395.5 Newtons.

Nu måste vi hitta tyngdkraften på fatet. G = (20 kg) (9.81 meter / sekund) = 196.2 Newtons. Detta är mycket mindre än flytkraften, så tunnan kommer att flyta.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 6

6. Använd samma tillvägagångssätt när din vätska är en gas. När du utför flytande problem, glöm inte att vätskan som objektet är nedsänkt i inte nödvändigtvis måste vara en vätska. Gaser räknas också som vätskor, och även om de har mycket låga densiteter jämfört med andra typer av materia, fortfarande kan stödja vikten av vissa föremål som flyter i dem. En enkel heliumballong är bevis på detta. Eftersom gasen i ballongen är mindre tät än vätskan runt den (vanlig luft), flyter den!

Metod 2 av 2:

Utföra ett enkelt flytkunskapsexperiment

1. Placera en liten skål eller kopp inuti en större. Med några hushållsobjekt är det lätt att se principerna om flytkraft i aktion! I det här enkla experimentet visar vi att ett nedsänkt objekt upplever flytkraft eftersom det förskjuter en volym vätska som är lika med objektets volym nedsänkt. När vi gör det, visar vi också hur man praktiskt taget hittar ett objekts flytkraft med detta experiment. För att börja, placera en liten öppen behållare, som en skål eller en kopp, inuti en större behållare, som stor en skål eller en hink.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 8

2. Fyll den inre behållaren till randen. Fyll sedan den lilla inre behållaren med vatten. Du vill att vattennivån ska vara längst upp i behållaren utan att spilla. Var försiktig här! Om du spolar något vatten, töm den större behållaren innan du försöker igen.

För detta experiment är det säkert att anta att vatten har en standarddensitet på 1000 kilo / meter. Om du inte använder saltvatten eller en annan vätska helt, kommer de flesta typer av vatten att ha en densitet nära nog till detta referensvärde att någon mindre skillnad inte kommer att ändra våra resultat.

Om du har en eyedropper, kan det här vara till stor hjälp för att precis utjämna vattnet i den inre behållaren.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 9

3. Dunkla ett litet objekt. Därefter hittar du ett litet objekt som kan passa inuti den inre behållaren och kommer inte att skadas av vatten. Hitta det här objektets massa i kilo (du kanske vill använda en skala eller balans som kan ge dig gram och konvertera upp till kilo). Då, utan att låta fingrarna bli våta, långsamt och stadigt doppa det här i vattnet tills det börjar flyta eller du bara knappt hålla på det, släpp sedan. Du bör märka något av vattnet i den inre behållaren spill över kanten i den yttre behållaren.

För vårt exempel, låt oss säga att vi sänker en leksaksbil med en massa av 0.05 kilo i den inre behållaren. Vi behöver inte veta volymen av den här bilen för att beräkna sin flytkraft, som vi ska se i nästa steg.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 10

4. Samla och mäta vattnet som spills över. När du sänker ett objekt i vatten, förskjuter det lite av vattnet - om det inte gjorde det, skulle det inte finnas något utrymme för att komma in i vattnet. När det driver detta vatten ur vägen, trycker vattnet tillbaka, vilket resulterar i flytkraft. Ta vattnet som spillt ut ur den inre behållaren och häll den i en liten glasmätningskopp.Vattenvolymen i koppen ska vara lika med volymen av det nedsänkta objektet.

Med andra ord, om ditt objekt flyter, kommer volymen av det vatten som spillas över att vara lika med objektets volym nedsänkt under ytan av vattnet. Om ditt objekt sjönk, kommer volymen av det vatten som spills över att vara lika med volymen av hela objektet.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 11

5. Beräkna vikten av det spillda vattnet. Eftersom du känner till densiteten av vatten och du kan mäta volymen av det vatten som spilles i mätkoppen, kan du hitta sin massa. Bara konvertera volymen till meter (ett online konverteringsverktyg, som den här, kan vara till hjälp här) och multiplicera det med densiteten av vatten (1000 kilo / meter).

Låt oss i vårt exempel sänka att vår leksaksbil sjunker in i den inre behållaren och förskjuts omkring två matskedar (.00003 meter). För att hitta massan av vårt vatten, skulle vi multiplicera detta med sin densitet: 1.000 kilo / meter × .00003 meter = 0.03 kilo.

Bild med titeln Beräkna flytkraft Steg 12

6. Jämför det fördrivna vattenmassan till objektets massa. Nu när du känner till massan av det objekt du sänkte i vatten och massan av det fördrivna den, jämföra dem för att se vilken som är större. Om massan av objektet nedsänkt i den inre behållaren är större än det för det fördrivna vattnet, borde det ha sjunkit. Å andra sidan, om massan av det fördrivna vattnet är större, bör objektet ha floaterat. Detta är principen om flytkraft i aktion - för ett föremål att vara float (float) måste det förskjuta en mängd vatten med en massa som är större än det för objektet själv.

Således är föremål med låga massor men stora volymer de mest flytande typerna av objekt. Denna egenskap betyder ihåliga föremål är särskilt flytande. Tänk på en kanot - det flyter bra eftersom det är ihåligt i insidan, så det kan förskjuta mycket vatten utan att ha en mycket hög massa. Om kanoter var fasta, skulle de inte flyta mycket bra alls.

I vårt exempel har bilen en högre massa (0.05 kilo) än vattnet det förskjuts (0.03 kilo). Detta leder upp med vad vi observerade: bilen sjönk.