Oppdriftskraften er en kraft motsatt tyngdekraften, som påvirker alle objekter som er nedsenket i et væske. Når et objekt plasseres i en væske, presser objektets masse mot væsken (væske eller gass), mens den flytende kraften skyver objektet mot tyngdekraften. Generelt kan denne flytende kraften beregnes ut fra ligningen Fen = Vt × × g, med Fen er den flytende kraften, Vt er volumet til det nedsenket objektet, er tettheten til væsken, og g er gravitasjonskraften. For å lære hvordan du bestemmer oppdriften til et objekt, se trinn 1 nedenfor for å komme i gang.
Steg
Metode 1 av 2: Bruke oppdriftsligningen
Trinn 1. Finn volumet til den nedsenket delen av objektet
Den flytende kraften som virker på et objekt er proporsjonal med volumet til det nedsenket objektet. Med andre ord, jo større den neddykkede faste delen av objektet er, desto større er den flytende kraften som virker på objektet. Dette betyr at objekter som er nedsenket i en væske, har en flytende kraft som skyver objektet opp. For å begynne å beregne den flytende kraften som virker på et objekt, er ditt første trinn vanligvis å bestemme volumet til objektet som er nedsenket i væsken. For oppdriftsligningen bør denne verdien være i meter3.
- For et objekt som er helt nedsenket i en væske, er volumet som er nedsenket lik volumet til selve objektet. For objekter som flyter over overflaten av væsken, beregnes bare volumet under overflaten.
- Anta for eksempel at vi vil finne den flytende kraften som virker på en gummikule som flyter på vann. Hvis gummikulen er en perfekt kule med en diameter på 1 m og flyter med halvparten av den nedsenket under vann, kan vi finne volumet av den nedsenket delen ved å finne det totale volumet i sfæren og dividere med to. Siden sfærens volum er (4/3) (radius)3, vi vet at volumet i sfæren vår er (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 meter3. 0, 524/2 = 0,262 meter3 synke.
Trinn 2. Finn tettheten til væsken din
Det neste trinnet i prosessen med å finne oppdrift er å definere tettheten (i kilogram/meter3) av væsken som objektet er nedsenket i. Tetthet er en måling av massen til et objekt eller stoff i forhold til dets volum. Hvis det gis to objekter med samme volum, vil objektet med større tetthet ha mer masse. I følge regelen, jo større tetthet av væsken som objektet er nedsenket i, desto større er flytkraften. Med væske er vanligvis den enkleste måten å bestemme tetthet ganske enkelt å slå den opp i et referansemateriale.
- I vårt eksempel flyter ballen vår i vann. Ved å se på akademiske kilder kan vi finne at vann har en tetthet på ca. 1000 kilo/meter3.
- Andre mye brukte væsketettheter er oppført i ingeniørkilder. En av listene finner du her.
Trinn 3. Finn tyngdekraften (eller annen kraft nedover)
Enten et objekt synker eller flyter i en væske, har det alltid en gravitasjonskraft. I den virkelige verden er den nedadgående kraftkonstanten lik 9,81 newton/kilo. I situasjoner der andre krefter, for eksempel sentrifugalkraften, virker på væsken og objektet som er nedsenket i den, må denne kraften imidlertid også tas i betraktning for å bestemme nettokraften nedover for hele systemet.
- I vårt eksempel jobber vi med et vanlig, statisk system, så vi kan anta at den eneste nedadgående kraften som virker på væsker og objekter er den generelle gravitasjonskraften - 9,81 newton/kilo.
- Men hva om ballen vår, som flyter i en bøtte med vann, svinges i en sirkel i horisontal retning ved høy hastighet? I dette tilfellet, forutsatt at bøtta svinges raskt nok til at vannet og ballen ikke søler, vil den nedadgående kraften i denne situasjonen bli avledet fra sentrifugalkraften som skapes av bøttens svingning, ikke fra jordens tyngdekraft.
Trinn 4. Multipliser volum × tetthet × tyngdekraft
Hvis du har volumverdien til objektet ditt (i meter3), tettheten til væsken din (i kilogram/meter3), og tyngdekraften (den nedadgående kraften på systemet ditt), så det er veldig enkelt å finne oppdrift. Bare multipliser disse tre verdiene for å finne den flytende kraften i newton.
La oss løse vårt eksempelproblem ved å koble våre verdier til ligningen Fen = Vt × × g. Fen = 0,262 meter3 × 1000 kilo/meter3 × 9,81 newton/kilogram = 2.570 newton.
Trinn 5. Se om objektet flyter ved å sammenligne oppdriften med gravitasjonskraften
Ved å bruke oppdriftsligningen er det lett å finne kraften som skyver et objekt opp og ut av væsken. Men med litt ekstra innsats er det også mulig å avgjøre om et objekt vil flyte eller synke. Bare finn den flytende kraften for hele objektet (med andre ord, bruk hele volumet for verdien av Vt), og finn deretter gravitasjonskraften som skyver den ned med ligningen G = (objektets masse) (9,81 meter/sekund2). Hvis den flytende kraften er større enn gravitasjonskraften, vil objektet flyte. På den annen side, hvis gravitasjonskraften er større enn den flytende kraften, vil objektet synke. Hvis størrelsene er like, sies det at objektet flyter.
-
For eksempel, si at vi vil vite om en sylindrisk tønne av tre med en masse på 20 kilo og en diameter på 0,75 m og en høyde på 1,25 m vil flyte i vann. Dette problemet vil bruke flere trinn:
- Vi kan finne volumet med formelen for volumet til sylinderen V = (radius)2(høy). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 meter3.
- Forutsatt at tyngdekraften er vanlig og vann med vanlig tetthet, kan vi finne fatets flytende kraft. 0,55 meter3 × 1000 kilo/meter3 × 9,81 newton/kilogram = 5.395, 5 newton.
- Nå må vi finne tyngdekraften til fatet. G = (20 kg) (9,81 meter/sekund2) = 196,2 newton. Denne kraften er mindre enn den flytende kraften, så fatet vil flyte.
Trinn 6. Bruk samme fremgangsmåte hvis væsken din er en gass
Når du arbeider med oppdriftsproblemer, ikke glem at væsken som objektet er nedsenket i, ikke trenger å være en væske. Gasser er også væsker, og selv om gasser har en veldig lav tetthet sammenlignet med andre stoffer, kan de fortsatt støtte visse masser av gjenstander som flyter i gassen. En enkel heliumballong er bevis på det. Fordi gassen i ballongen er mindre tett enn væsken som omgir seg (luft i omgivelsene), flyter ballongen!
Metode 2 av 2: Utføre et enkelt oppdriftseksperiment
Trinn 1. Legg en liten bolle eller kopp i en større bolle
Med noen husholdningsartikler er det lett å se prinsippene for oppdrift i eksperiment! I dette enkle eksperimentet vil vi demonstrere at et nedsenket objekt opplever en flytende kraft fordi det forskyver et volum væske som er lik det volumet til det nedsenket objektet. Når vi gjør dette, vil vi også demonstrere en praktisk måte å finne den flytende kraften til et objekt med dette eksperimentet. For å starte, plasser en liten, åpen beholder, for eksempel en bolle eller kopp, i en større beholder, for eksempel en stor bolle eller bøtte.
Trinn 2. Fyll den lille beholderen til randen
Fyll deretter den mindre indre beholderen med vann. Du vil at vannet skal være så høyt som beholderen uten å søle. Vær forsiktig her! Hvis du søler vann, tøm den større beholderen før du prøver igjen.
- I forbindelse med dette eksperimentet er det greit å anta at vann har en generell tetthet på 1000 kilo/meter3. Med mindre du bruker sjøvann eller en helt annen væske, har de fleste typer vann nesten samme tetthet som denne referanseverdien, så en liten forskjell vil ikke endre resultatene våre.
- Hvis du har øyedråper, kan dette være veldig nyttig for å heve vannstanden i en liten beholder.
Trinn 3. Senk det lille objektet
Se deretter etter en liten gjenstand som passer inn i en liten beholder og ikke vil bli skadet av vann. Finn massen til dette objektet i kilogram (det kan være lurt å bruke en skala eller balanse som kan ta gram og konvertere dem til kilo). Deretter dypper du objektet i vannet uten å bli fingrene våte, sakte men sikkert, til det begynner å flyte eller du kan holde det litt og deretter slippe det. Du vil legge merke til at noe av vannet i den lille beholderen vil søle inn i den ytre beholderen.
I vårt eksempel antar vi at vi dypper en lekebil med en masse på 0,05 kilo i en liten beholder. Vi trenger ikke å vite volumet på denne bilen for å beregne oppdriften, for vi får se det i neste trinn
Trinn 4. Samle opp og telle sølt vann
Når du senker et objekt ned i vann, forskyver det noe av vannet - ellers vil det ikke være noe sted å sette objektet i vannet. Når et objekt skyver vannet ut, skyver vannet tilbake og skaper en oppdriftskraft. Ta sølt vann fra en liten beholder og hell det i en liten målebeger. Vannmengden i målebegeret er lik volumet av objektet som er nedsenket.
Med andre ord, hvis objektet flyter, vil vannmengden som søl ut være lik volumet til objektet som er nedsenket under vannoverflaten. Hvis objektet synker, er vannmengden som søl ut lik objektets totale volum
Trinn 5. Beregn massen av sølt vann
Siden du kjenner tettheten til vann og du kan måle vannmengden som søl i målebegeret, kan du finne massen. Bare endre volumet til meter3 (online konverteringshjelpemidler, som denne, kan hjelpe) og multiplisere med tettheten av vann (1000 kilo/meter3).
I vårt eksempel, anta at lekebilen vår synker ned i en liten beholder og beveger seg omtrent to spiseskjeer (0,0003 meter3). For å finne massen av vannet vårt, multipliserer vi det med dens tetthet: 1000 kilo/meter3 × 0,0003 meter3 = 0,03 kilo.
Trinn 6. Sammenlign massen av det sølte vannet med gjenstandens masse
Nå som du vet massen til objektet du senker i vannet og massen av vannet som har sølt, sammenlign dem for å se hvilken masse som er større. Hvis massen til et objekt som er nedsenket i en liten beholder er større enn det vannet som søles, vil objektet synke. På den annen side, hvis massen av det sølte vannet er større, vil objektet flyte. Dette er oppdriftsprinsippet i eksperiment - for at et objekt skal flyte, må det forskyve en mengde vann med en masse større enn massen til selve objektet.
- Således er objekter med lav masse, men stort volum, de typer objekter som flyter lettest. Denne egenskapen betyr at hule gjenstander flyter veldig lett. Tenk deg en kano - kanoen flyter godt fordi den er hul inni, så den kan bevege seg mye vann uten å måtte ha en stor masse. Hvis kanoen ikke er hul (solid), vil ikke kanoen flyte ordentlig.
- I vårt eksempel har bilen en større masse (0,05 kilo) enn sølt vann (0,03 kilo). Dette stemmer overens med det vi observerer: bilene synker.
