Plūduriuojanti jėga yra jėga, priešinga gravitacijai, kuri veikia visus skystyje panardintus objektus. Įdėjus daiktą į skystį, objekto masė prispaudžiama prie skysčio (skysčio ar dujų), o plūduriuojanti jėga stumia objektą prieš gravitaciją. Apskritai šią plūduriuojančią jėgą galima apskaičiuoti pagal lygtį Fa = V.t × × g, su F.a yra plūduriuojanti jėga, V.t yra panardinto objekto tūris, skysčio tankis, o g - gravitacinė jėga. Norėdami sužinoti, kaip nustatyti objekto plūdrumą, žr.
Žingsnis
1 metodas iš 2: plūdrumo lygties naudojimas
Žingsnis 1. Raskite panardintos objekto dalies tūrį
Plūduriuojanti jėga, veikianti objektą, yra proporcinga panardinto objekto tūriui. Kitaip tariant, kuo didesnė panardinta kieta objekto dalis, tuo didesnė plūduriuojanti jėga veikia objektą. Tai reiškia, kad į skystį panardinti objektai turi plūduriuojančią jėgą, kuri stumia objektą aukštyn. Norėdami pradėti skaičiuoti plūduriuojančią jėgą, veikiančią objektą, pirmiausia turite nustatyti skysčio panardinto objekto tūrį. Plūdrumo lygčiai ši vertė turėtų būti metrais3.
- Jei objektas yra visiškai panardintas į skystį, jo tūris yra lygus paties objekto tūriui. Objektams, plaukiantiems virš skysčio paviršiaus, apskaičiuojamas tik tūris žemiau paviršiaus.
- Pavyzdžiui, tarkime, kad norime rasti plūduriuojančią jėgą, veikiančią ant vandens plūduriuojantį guminį rutulį. Jei guminis rutulys yra tobulas 1 m skersmens rutulys ir plūduriuoja, kai pusė yra panardintas po vandeniu, mes galime rasti panardintos dalies tūrį, suradę bendrą rutulio tūrį ir padaliję iš dviejų. Kadangi rutulio tūris yra (4/3) (spindulys)3, mes žinome, kad mūsų sferos tūris yra (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metrai3. 0, 524/2 = 0,262 metrai3 kriaukle.
Žingsnis 2. Raskite skysčio tankį
Kitas plūdrumo nustatymo etapas yra tankio (kilogramais/metras) apibrėžimas3) skysčio, į kurį panardintas daiktas. Tankis yra objekto ar medžiagos masės matavimas, palyginti su jo tūriu. Jei du du vienodo tūrio objektai, didesnio tankio objektas turės didesnę masę. Pagal taisyklę, kuo didesnis skysčio, kuriame yra panardintas objektas, tankis, tuo didesnė plūduriuojanti jėga. Naudojant skysčius, paprasčiausias būdas nustatyti tankį yra tiesiog jį rasti etaloninėje medžiagoje.
- Mūsų pavyzdyje mūsų rutulys plaukioja vandenyje. Pažvelgę į akademinius šaltinius, galime pastebėti, kad vandens tankis yra maždaug. 1000 kilogramų/metras3.
- Kiti plačiai naudojami skysčių tankiai yra išvardyti inžineriniuose šaltiniuose. Vieną iš sąrašų rasite čia.
Žingsnis 3. Raskite gravitacijos jėgą (ar kitą žemyn nukreiptą jėgą)
Nesvarbu, ar objektas skęsta, ar sklando skystyje, jis visada turi gravitacinę jėgą. Realiame pasaulyje jėgos žemyn konstanta yra lygi 9,81 niutonas/kilogramas. Tačiau tais atvejais, kai kitos jėgos, pavyzdžiui, išcentrinė jėga, veikia skystį ir jame panardintą objektą, į šią jėgą taip pat reikia atsižvelgti nustatant visos sistemos grynąją žemyn jėgą.
- Mūsų pavyzdyje mes dirbame su įprasta, statine sistema, todėl galime manyti, kad vienintelė skysčius ir daiktus veikianti žemyn jėga yra bendra gravitacinė jėga - 9,81 niutonas/kilogramas.
- Tačiau ką daryti, jei mūsų kamuolys, plūduriuojantis vandens kibire, dideliu greičiu pasukamas ratu horizontaliai? Šiuo atveju, darant prielaidą, kad kibiras slenkamas pakankamai greitai, kad vanduo ir kamuolys neišsilietų, jėga žemyn šioje situacijoje bus gaunama iš išcentrinės jėgos, kurią sukuria kibiras, o ne Žemės traukos jėga.
4 žingsnis. Padauginkite tūrį × tankį × gravitaciją
Jei turite objekto tūrio vertę (metrais3), skysčio tankį (kilogramais/metras3), ir gravitacijos jėga (žemyn jėga jūsų sistemai), todėl plūdrumą rasti labai paprasta. Tiesiog padauginkite šias tris vertes, kad rastumėte plūduriuojančią jėgą niutonuose.
Išspręskime savo pavyzdinę problemą, prijungdami savo vertes į F lygtįa = V.t × × g. Fa = 0,262 metrai3 × 1000 kilogramų/metras3 × 9,81 niutonas/kilogramas = 2 570 niutonų.
Žingsnis 5. Palyginkite plūdrumą ir gravitacinę jėgą, ar jūsų objektas plūduriuoja
Naudojant plūdrumo lygtį, lengva rasti jėgą, kuri stumia objektą aukštyn ir iš jo. Tačiau, įdėjus šiek tiek papildomų pastangų, taip pat galima nustatyti, ar objektas plūdės ar skęs. Tiesiog raskite plūduriuojančią viso objekto jėgą (kitaip tariant, naudokite visą tūrį V reikšmeit), tada raskite gravitacinę jėgą, stumiančią ją žemyn, lygtimi G = (objekto masė) (9,81 metro per sekundę)2). Jei plūduriuojanti jėga yra didesnė už gravitacinę jėgą, objektas plūdės. Kita vertus, jei gravitacinė jėga yra didesnė už plūduriuojančią jėgą, objektas nuskęs. Jei dydžiai yra vienodi, sakoma, kad objektas plūduriuoja.
-
Pavyzdžiui, norime sužinoti, ar medinė cilindrinė statinė, kurios masė yra 20 kilogramų, o skersmuo - 0,75 m, o aukštis - 1,25 m, plauks vandenyje. Šiai problemai atlikti reikės kelių veiksmų:
- Tūrį galime rasti pagal cilindro tūrio formulę V = (spindulys)2(aukštas). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metrai3.
- Toliau, darant prielaidą, kad gravitacijos dydis yra įprastas, o vandens - įprasto tankio, galime rasti statinės plūduriuojančią jėgą. 0,55 metrai3 × 1000 kilogramų/metras3 × 9,81 niutonas/kilogramas = 5 395, 5 niutonai.
- Dabar turime rasti statinės gravitacinę jėgą. G = (20 kg) (9,81 metro per sekundę)2) = 196,2 niutonai. Ši jėga yra mažesnė už plūduriuojančią jėgą, todėl statinė plūdės.
6. Jei jūsų skystis yra dujos, naudokite tą patį metodą
Dirbdami su plūdrumo problemomis nepamirškite, kad skystis, į kurį panardintas objektas, nebūtinai turi būti skystis. Dujos taip pat yra skysčiai ir, nors dujos yra labai mažo tankio, palyginti su kitomis medžiagomis, jos vis tiek gali išlaikyti tam tikras dujose plūduriuojančių objektų mases. Paprastas helio balionas yra to įrodymas. Kadangi baliono dujos yra mažiau tankios nei aplinkinis skystis (aplinkos oras), balionas plūduriuoja!
2 metodas iš 2: paprasto plūdrumo eksperimento atlikimas
1 žingsnis. Įdėkite mažą dubenį ar puodelį į didesnį dubenį
Naudojant kai kuriuos namų apyvokos daiktus, eksperimente lengva pamatyti plūdrumo principus! Šiame paprastame eksperimente parodysime, kad panardintas objektas patiria plaukiojančią jėgą, nes išstumia skysčio tūrį, lygų panardinto objekto tūriui. Atlikdami šį eksperimentą, taip pat parodysime praktinį būdą, kaip rasti plūduriuojančią objekto jėgą. Norėdami pradėti, įdėkite mažą, atvirą indą, pvz., Dubenį ar puodelį, į didesnį indą, pvz., Didelį dubenį ar kibirą.
Žingsnis 2. Užpildykite nedidelį indą iki krašto
Tada užpildykite mažesnį vidinį indą vandeniu. Norite, kad vanduo būtų toks pat aukštas kaip indas, neišsiliejus. Būkite atsargūs čia! Jei išsiliejote vandens, prieš bandydami dar kartą ištuštinkite didesnį indą.
- Šio eksperimento tikslais galima daryti prielaidą, kad bendras vandens tankis yra 1000 kilogramų/metre3. Jei nenaudojate jūros vandens ar visiškai kitokio skysčio, daugumos rūšių vandens tankis yra beveik toks pat, kaip šios pamatinės vertės, todėl nedidelis skirtumas mūsų rezultatų nepakeis.
- Jei turite akių lašų, tai gali būti labai naudinga pakeliant vandens lygį mažame inde.
Žingsnis 3. Panardinkite mažą objektą
Tada ieškokite mažo daikto, kuris tilptų į mažą indą ir nebūtų pažeistas vandens. Raskite šio objekto masę kilogramais (galbūt norėsite naudoti skalę ar svarstyklę, kuri gali paimti gramus ir konvertuoti juos į kilogramus). Tada, nesušlapindami pirštų, lėtai, bet užtikrintai, panardinkite objektą į vandenį, kol jis pradės plaukti, arba galėsite jį šiek tiek laikyti ir tada atleisti. Pastebėsite, kad dalis vandens mažame inde išsilieja į išorinį indą.
Pavyzdžiui, tarkime, kad į mažą indą panardiname žaislinį automobilį, kurio masė yra 0,05 kilogramo. Mums nereikia žinoti šio automobilio tūrio, kad galėtume apskaičiuoti jo plūdrumą, nes tai pamatysime kitame žingsnyje
Žingsnis 4. Surinkite ir suskaičiuokite išsiliejusį vandenį
Kai jūs panardinate objektą į vandenį, jis išstumia dalį vandens - kitaip nebus kur jį įdėti į vandenį. Kai daiktas išstumia vandenį, vanduo stumia atgal, sukurdamas plūduriuojančią jėgą. Išimkite išsiliejusį vandenį iš mažos talpyklos ir supilkite į mažą matavimo puodelį. Vandens tūris matavimo taurėje yra lygus panardinto objekto tūriui.
Kitaip tariant, jei jūsų objektas plūduriuoja, išsiliejusio vandens tūris bus lygus objekto tūriui, kuris yra panardintas po vandens paviršiumi. Jei jūsų objektas nuskęsta, išsiliejusio vandens tūris yra lygus bendram objekto tūriui
Žingsnis 5. Apskaičiuokite išsiliejusio vandens masę
Kadangi žinote vandens tankį ir galite išmatuoti vandens kiekį, išsiliejusį į matavimo taurę, galite rasti jo masę. Tiesiog pakeiskite garsumą į metrus3 (internetinės pagalbos priemonės, tokios kaip ši, gali padėti) ir padauginti iš vandens tankio (1 000 kilogramų/metras)3).
Mūsų pavyzdyje tarkime, kad mūsų žaislinis automobilis nugrimzta į mažą indą ir juda apie du šaukštus (0,0003 metrų)3). Norėdami rasti mūsų vandens masę, mes padauginsime jį iš jo tankio: 1000 kilogramų/metre3 × 0,0003 metrai3 = 0,03 kilogramo.
Žingsnis 6. Palyginkite išsiliejusio vandens masę su objekto mase
Dabar, kai žinote objekto, kurį panardinate į vandenį, masę ir išsiliejusio vandens masę, palyginkite juos, kad pamatytumėte, kuri masė yra didesnė. Jei į mažą indą panardinto objekto masė yra didesnė už išsiliejusį vandenį, objektas nuskęs. Kita vertus, jei išsiliejusio vandens masė yra didesnė, objektas plūdės. Tai yra plūdrumo principas eksperimente - kad objektas galėtų plaukti, jis turi išstumti vandens kiekį, kurio masė didesnė už paties objekto masę.
- Taigi objektai, kurių masė maža, bet didelė, yra tie objektai, kurie plaukioja lengviausiai. Ši savybė reiškia, kad tuščiaviduriai objektai labai lengvai plūduriuoja. Įsivaizduokite kanoją - kanoja gerai plaukioja, nes viduje yra tuščiavidurė, todėl gali perkelti daug vandens, neturėdama didelės masės. Jei kanoja nėra tuščiavidurė (kieta), tada kanoja tinkamai neplauks.
- Mūsų pavyzdyje automobilis turi didesnę masę (0,05 kilogramo) nei išsiliejęs vanduo (0,03 kilogramo). Tai sutampa su tuo, ką pastebime: automobiliai skęsta.
