Як обчислити плавучість (виштовхуючу силу)

Плавучість-це виштовхуюча сила, що діє на тіло, занурене в рідину (або газ), і спрямована протилежно силі тяжіння. У загальних випадках виштовхуюча сила може бути обчислена за формулою: F_b = V_sx D x g, де F_b - виштовхуюча сила; V_s - обсяг частини тіла, зануреної в рідину; D – щільність рідини, в яку занурюють тіло; g – сила тяжіння.

Метод1 З 2:

Обчислення за формулою

Знайдіть об'єм частини тіла, зануреної в рідину (занурений об'єм).виштовхуюча сила прямо пропорційна об'єму частини тіла, зануреної в рідину. Іншими словами, чим більше занурюється тіло, тим більше виштовхує сила. Це означає, що навіть на тонуть тіла діє виштовхуюча сила. Занурений об'єм повинен вимірюватися в м³.
- У тіл, які повністю занурені в рідину, занурений обсяг дорівнює об'єму тіла. У тіл, плаваючих в рідині, занурений обсяг дорівнює об'єму частини тіла, прихованої під поверхнею рідини.
- Як приклад розглянемо куля, плаваючий у воді. Якщо діаметр кулі дорівнює 1 м, а поверхня води доходить до середини кулі (тобто він занурений у воду наполовину), то занурений обсяг кулі дорівнює його обсягу, поділеному на 2. Об'єм кулі обчислюється за формулою V = (4/3) π (радіус)³ = (4/3) π (0,5)³ = 0,524 м³. Занурений об'єм: 0,524/2 = 0,262 м³.
Знайдіть щільність рідини (в кг/м³), в яку занурюється тіло.щільність-це відношення маси тіла до займаного цим тілом обсягу. Якщо у двох тіл однаковий обсяг, то маса тіла з більшою щільністю буде більше. Як правило, чим більше щільність рідини, в яку занурюється тіло, тим більше виштовхує сила. Щільність рідини можна знайти в інтернеті або в різних довідниках.
- У нашому прикладі куля плаває у воді. Щільність води приблизно дорівнює 1000 кг/м³.
- Щільності багатьох інших рідин можна знайти тут.
Знайдіть силу тяжіння (або будь-яку іншу силу, що діє на тіло вертикально вниз).не важливо, чи плаває тіло або тоне, на нього завжди діє сила тяжіння. У природних умовах сила тяжіння (а точніше сила тяжіння, що діє на тіло масою 1 кг) приблизно дорівнює 9,81 Н/кг.проте, якщо на тіло діють і інші сили, наприклад, відцентрова сила, такі сили необхідно врахувати і обчислити результуючу силу, спрямовану вертикально вниз.
- У нашому прикладі ми маємо справу зі звичайною стаціонарною системою, тому на кулю діє тільки сила тяжіння, рівна 9,81 Н/кг.
- Однак якщо куля плаває в ємності з водою, яка обертається навколо деякої точки, то на кулю буде діяти відцентрова сила, яка не дозволяє кулі і воді вихлюпуватися назовні і яку необхідно врахувати в розрахунках.
Якщо у вас є значення зануреного об'єму тіла (в м³), щільність рідини (в кг/м³) і сила тяжіння (або будь-яка інша сила, спрямована вертикально вниз), то ви можете обчислити виштовхуючу силу.для цього просто перемножте зазначені вище значення, і ви знайдете виштовхуючу силу (В Н).
- У нашому прикладі: F_b = V_s × D × g. F_b = 0,262 м³ × 1000 кг/м³ × 9,81 Н/кг = 2570 Н.
З'ясуйте, чи буде тіло плавати або тонути.за наведеною вище формулою можна обчислити виштовхуючу силу. Але, виконавши додаткові розрахунки, ви можете визначити, чи буде тіло плавати або тонути. Для цього знайдіть виштовхуючу силу для всього тіла (тобто в обчисленнях використовуйте весь об'єм тіла, а не занурений об'єм), а потім знайдіть силу тяжіння за формулою G = (маса тіла)*(9,81 м/с²). Якщо виштовхує сила більше сили тяжіння, то тіло буде плавати; якщо ж сила тяжіння більше виштовхує сили, то тіло буде тонути. Якщо сили рівні, то тіло володіє «нейтральною плавучістю».
- Наприклад, розглянемо 20 кілограмову колоду (циліндричної форми) з діаметром 0,75 м і висотою 1,25 м, занурене у воду.
  - Знайдіть об'єм колоди (у нашому прикладі об'єм циліндра) за формулою V = π(радіус)² (висота) = π(0,375)²(1,25) = 0,55 м³.
  - Далі обчисліть виштовхуючу силу: F_b = 0,55 м³ × 1000 кг/м³ × 9,81 Н/кг = 5395,5 Н.
  - Тепер знайдіть силу тяжіння: G = (20 кг)(9,81 м/с²) = 196,2 Н. це значення набагато менше значення виштовхує сили, тому колода буде плавати.
Використовуйте описані вище обчислення для тіла, зануреного в газ.Пам'ятайте, що тіла можуть плавати не тільки в рідинах, але і в газах, які цілком можуть виштовхувати деякі тіла, незважаючи на дуже невелику щільність газів (згадайте про кулю, наповнений гелієм; щільність гелію менше щільності повітря, тому куля з гелієм літає (плаває) в повітрі).

Метод2 З 2:

Постановка експерименту

Помістіть невелику чашку у відро. у цьому простому експерименті ми покажемо, що на тіло, занурене в рідину, діє виштовхуюча сила, так як тіло виштовхує обсяг рідини, рівний зануреному об'єму тіла. Ми також продемонструємо, як знайти виштовхуючу силу за допомогою експерименту. Для початку помістіть невелику чашку у відро (або каструлю).
Наповніть чашку водою (до країв). Будьте обережні! Якщо вода з чашки вилилася у відро, вилийте воду і почніть заново.
- Для експерименту припустимо, що щільність води дорівнює 1000 кг/м³ (тільки якщо ви не використовуєте солону воду або іншу рідину).
- Для наповнення чашки до країв використовуйте піпетку.
Візьміть невеликий предмет, який поміститься в чашці і не буде пошкоджений водою. знайдіть масу цього тіла (в кілограмах; для цього зважте тіло на вагах і конвертуйте значення в грамах в кілограми). Потім повільно опустіть предмет в чашку з водою (тобто занурте тіло в воду, але при цьому не занурюйте пальці). Ви побачите, що деяка кількість води вилилася з чашки у відро.
- У цьому експерименті ми опустимо в чашку з водою іграшковий автомобіль масою 0,05 кг. Обсяг цього автомобіля нам не потрібен, щоб обчислити виштовхуючу силу.
При зануренні тіла в воду воно виштовхує деякий обсяг води (інакше тіло не занурилося б у воду). коли тіло виштовхує воду (тобто тіло діє на воду), на тіло починає діяти виштовхуюча сила (тобто вода діє на тіло). Вилийте воду з відра в мірний стакан. Обсяг води в мірній склянці повинен дорівнювати об'єму зануреного тіла.
- Іншими словами, якщо тіло плаває, то обсяг витісненої рідини дорівнює зануреному об'єму тіла. Якщо тіло потонуло, то обсяг витісненої рідини дорівнює обсягу всього тіла.
Обчисліть масу витісненої води за відомими значеннями обсягу цієї води і щільності води. значення об'єму води, показаного шкалою мірного стакана, конвертуйте в м³ (ви можете зробити це тут), а потім помножте об'єм витісненої води на щільність води (1000 кг/м³).
- У нашому прикладі іграшковий автомобіль потонув, витіснивши близько двох столових ложок води (0,00003 м³). Обчислимо масу витісненої води: 1000 кг/м³ x 0,00003 м³ = 0,03 кг.
Порівняйте масу витісненої води з масою зануреного тіла.якщо маса зануреного тіла більше маси витісненої води, то тіло потоне. Якщо маса витісненої води більше маси тіла, то воно плаває. Тому для того, щоб тіло плавало, воно повинно витісняти кількість води з масою, що перевищує масу самого тіла.
- Таким чином, тіла, що мають невелику масу, але великий обсяг, володіють найкращою плавучістю. Ці два параметри характерні для порожнистих тел.згадайте човен – вона володіє чудовою плавучістю, тому що вона порожниста і витісняє багато води при невеликій масі самого човна. Якби човен не був порожнистим, він би взагалі не плавав (а тонув).
- У нашому прикладі маса автомобіля (0,05 кг) більше маси витісненої води (0,03 кг). Тому автомобіль і потонув.