A felhajtóerő a gravitációval ellentétes erő, amely minden folyadékba merülő tárgyra hatással van. Amikor egy tárgyat folyadékba helyeznek, az objektum tömege a folyadékhoz (folyadékhoz vagy gázhoz) nyomódik, míg a felhajtó erő a tárgyat a gravitáció ellen nyomja. Általánosságban elmondható, hogy ez a felhajtóerő kiszámítható az egyenlettel Fa = Vt × × g, F -ela a felhajtó erő, Vt a merített tárgy térfogata, a folyadék sűrűsége és g a gravitációs erő. Az objektum felhajtóerejének meghatározásáról az alábbi 1. lépésben olvashat.
Lépés
1. módszer a 2 -ből: A felhajtóerő egyenletének használata
1. lépés. Keresse meg az objektum víz alá eső részének térfogatát
Az objektumra ható felhajtóerő arányos a merített tárgy térfogatával. Más szóval, minél nagyobb a tárgy elmerült szilárd része, annál nagyobb a tárgyra ható felhajtóerő. Ez azt jelenti, hogy a folyadékba merített tárgyaknak felhajtó erejük van, ami felfelé tolja a tárgyat. A tárgyra ható felhajtóerő kiszámításának megkezdéséhez az első lépés általában a folyadékba merített tárgy térfogatának meghatározása. A felhajtóerő egyenletéhez ennek az értéknek méterben kell lennie3.
- Teljesen folyadékba merülő tárgy esetében a merített térfogat egyenlő a tárgy térfogatával. A folyadék felszíne felett lebegő tárgyak esetében csak a felszín alatti térfogatot kell kiszámítani.
- Tegyük fel például, hogy a vízen úszó gömbgolyóra ható felhajtó erőt akarjuk megtalálni. Ha a gumilabda tökéletes gömb, amelynek átmérője 1 m, és felével víz alatt lebeg, akkor a gömb teljes térfogatának megállapításával és kettővel elosztva megtalálhatjuk az elmerült rész térfogatát. Mivel a gömb térfogata (4/3) (sugár)3, tudjuk, hogy gömbünk térfogata (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 méter3. 0, 524/2 = 0,262 méter3 mosogató.
2. lépés. Keresse meg a folyadék sűrűségét
A felhajtóerő megállapításának következő lépése a sűrűség (kilogramm/méter) meghatározása3) annak a folyadéknak, amelybe a tárgy merül. A sűrűség egy tárgy vagy anyag tömegének a térfogatához viszonyított mérése. Ha két azonos térfogatú objektumot kapunk, a nagyobb sűrűségű objektum nagyobb tömegű lesz. A szabály szerint minél nagyobb a folyadék sűrűsége, amelyben a tárgy elmerül, annál nagyobb a felhajtóerő. Folyadékok esetén általában a legegyszerűbb módja a sűrűség meghatározásának, ha egyszerűen megkeresi egy referenciaanyagban.
- Példánkban a labdánk vízben úszik. Akadémiai forrásokat vizsgálva megállapíthatjuk, hogy a víz sűrűsége kb. 1000 kilogramm/méter3.
- Más széles körben használt folyadéksűrűségeket a műszaki források sorolnak fel. Az egyik lista itt található.
3. lépés Keresse meg a gravitációs erőt (vagy más lefelé irányuló erőt)
Akár egy tárgy süllyed vagy lebeg a folyadékban, annak mindig van gravitációs ereje. A való világban a lefelé irányuló erőállandó egyenlő 9,81 newton/kilogramm. Azonban olyan helyzetekben, amikor más erők, például a centrifugális erő hatnak a folyadékra és a benne elmerült tárgyra, ezt az erőt is figyelembe kell venni a teljes rendszerre vonatkozó nettó lefelé ható erő meghatározásához.
- Példánkban egy közönséges, statikus rendszerrel dolgozunk, így feltételezhetjük, hogy a folyadékokra és tárgyakra ható egyetlen lefelé ható erő az általános gravitációs erő - 9,81 newton/kilogramm.
- Mi van azonban akkor, ha vödör vízben lebegő labdánkat nagy sebességgel vízszintes irányban körbe lendítjük? Ebben az esetben, ha feltételezzük, hogy a vödröt elég gyorsan forgatjuk, hogy a víz és a golyó ne ömöljön ki, akkor a lefelé irányuló erőt ebben a helyzetben a vödör lengése által létrehozott centrifugális erőből kell származtatni, nem pedig a Föld gravitációjából.
Lépés 4. Szorozza meg a térfogatot × sűrűséget × a gravitációt
Ha megvan az objektum térfogatértéke (méterben)3), a folyadék sűrűsége (kilogramm/méter3) és a gravitációs erő (a rendszerre ható lefelé irányuló erő), így a felhajtóerő megtalálása nagyon egyszerű. Csak szorozza meg ezt a három értéket, hogy megtalálja a lebegő erőt newtonban.
Oldjuk meg példaproblémánkat úgy, hogy értékeinket bekapcsoljuk az F egyenletbea = Vt × × g. Fa = 0,262 méter3 × 1000 kilogramm/méter3 × 9,81 newton/kilogramm = 2.570 newton.
5. lépés: A felhajtóerő és a gravitációs erő összehasonlításával ellenőrizze, hogy a tárgy lebeg -e
A felhajtóeregyenlet segítségével könnyen megtalálható az az erő, amely egy tárgyat felfelé és kihajt a folyadékból. Azonban egy kis extra erőfeszítéssel azt is meg lehet határozni, hogy egy tárgy lebeg -e vagy elsüllyed. Csak keresse meg a felhajtóerőt az egész objektumra (más szóval, használja a teljes kötetet V értékéret), majd keresse meg a lefelé nyomó gravitációs erőt a G = (a tárgy tömege) egyenlettel (9,81 méter/másodperc)2). Ha a felhajtóerő nagyobb, mint a gravitációs erő, a tárgy lebeg. Másrészt, ha a gravitációs erő nagyobb, mint a lebegő erő, a tárgy elsüllyed. Ha a nagyságrendek megegyeznek, a tárgyat lebegni fogják.
-
Tegyük fel például, hogy tudni akarjuk, hogy egy 20 kg tömegű, 0,75 m átmérőjű és 1,25 m magas fa henger alakú hordó lebeg -e a vízben. Ez a probléma több lépést tartalmaz:
- A térfogatot a henger térfogatának képletével találjuk meg V = (sugár)2(magas). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 méter3.
- Ezután feltételezve, hogy a gravitáció nagysága közönséges, és a közönséges sűrűségű vízé, megtalálhatjuk a hordó felhajtó erejét. 0,55 méter3 × 1000 kilogramm/méter3 × 9,81 newton/kilogramm = 5395, 5 newton.
- Most meg kell találnunk a hordó gravitációs erejét. G = (20 kg) (9,81 méter/másodperc)2) = 196,2 newton. Ez az erő kisebb, mint a felhajtóerő, így a hordó lebeg.
6. lépés Ugyanezt a megközelítést alkalmazza, ha a folyadék gáz
Amikor felhajtóerő -problémákon dolgozik, ne felejtse el, hogy a folyadéknak, amelyben a tárgy elmerül, nem kell folyadéknak lennie. A gázok szintén folyadékok, és bár a gázok nagyon alacsony sűrűségűek más anyagokhoz képest, mégis képesek eltartani a gázban lebegő tárgyak bizonyos tömegeit. Egy egyszerű hélium lufi bizonyítja ezt. Mivel a ballonban lévő gáz kevésbé sűrű, mint a környező folyadék (környezeti levegő), a ballon lebeg!
2. módszer 2 -ből: Egyszerű felhajtóerő -kísérlet végrehajtása
1. lépés Helyezzen egy kisebb tálat vagy csészét egy nagyobb tálba
Néhány háztartási cikknél könnyen belátható a felhajtóerő elve a kísérletben! Ebben az egyszerű kísérletben bebizonyítjuk, hogy egy víz alá merült tárgy felhajtó erőt tapasztal, mert kiszorítja a víz alatti térfogatnak megfelelő folyadékmennyiséget. Miközben ezt tesszük, ezzel a kísérlettel gyakorlati módszert is bemutatunk egy tárgy felhajtó erejének megtalálására. Kezdésként tegyen egy kisméretű, nyitott edényt, például egy tálat vagy csészét egy nagyobb edénybe, például egy nagy tálba vagy vödörbe.
2. lépés. Töltse fel a kis tartályt a széléig
Ezután töltse fel a kisebb belső tartályt vízzel. Azt szeretné, ha a víz olyan magas legyen, mint a tartály, kiömlés nélkül. Vigyázz itt! Ha vizet öntött ki, ürítse ki a nagyobb tartályt, mielőtt újra próbálkozik.
- E kísérlet céljára feltételezhető, hogy a víz általános sűrűsége 1000 kilogramm/méter3. Hacsak nem tengervizet vagy teljesen más folyadékot használ, a legtöbb vízfajta sűrűsége közel azonos a referenciaértékkel, így egy kis különbség nem változtatja meg eredményeinket.
- Ha szemcseppje van, ez nagyon hasznos lehet a vízszint emelésére egy kis tartályban.
Lépés 3. Merítse el a kis tárgyat
Ezután keressen egy kis tárgyat, amely elfér egy kis tartályban, és nem károsítja a víz. Keresse meg ennek az objektumnak a tömegét kilogrammban (érdemes olyan skálát vagy mérleget használni, amely grammokat vehet fel, és kilogrammra alakíthatja át). Ezután, anélkül, hogy nedvesítené az ujjait, lassan, de biztosan, mártsa a tárgyat a vízbe, amíg lebegni nem kezd, vagy enyhén foghatja, majd elengedheti. Észre fogja venni, hogy a kis tartályban lévő víz egy része a külső tartályba ömlik.
Példánk szempontjából tegyük fel, hogy 0,05 kilogramm tömegű játékautót merítünk egy kis edénybe. Nem kell tudnunk ennek az autónak a térfogatát a felhajtóerő kiszámításához, mert ezt a következő lépésben látni fogjuk
4. lépés. Gyűjtse össze és számolja ki a kiömlött vizet
Amikor egy tárgyat vízbe merít, az kiszorítja a víz egy részét - különben nem lesz hová tenni a tárgyat a vízbe. Amikor egy tárgy kiszorítja a vizet, a víz visszaszorul, és felhajtó erőt hoz létre. Vegye ki a kiömlött vizet egy kis edényből, és öntse egy kis mérőpohárba. A mérőpohárban lévő víz térfogata megegyezik a víz alá merített tárgy térfogatával.
Más szóval, ha a tárgy lebeg, akkor a kiömlő víz térfogata megegyezik a víz felszíne alá merült tárgy térfogatával. Ha az objektum elsüllyed, a kiömlött víz térfogata megegyezik a tárgy teljes térfogatával
5. lépés Számítsa ki a kiömlött víz tömegét
Mivel ismeri a víz sűrűségét, és meg tudja mérni a mérőpohárban kiömlő víz mennyiségét, megtalálja annak tömegét. Csak változtassa meg a hangerőt méterre3 (az online konverziós segédeszközök, mint ez, segíthetnek), és szorozzák meg a víz sűrűségével (1000 kilogramm/méter)3).
Példánkban tegyük fel, hogy játékkocsink egy kis tartályba süllyed, és körülbelül két evőkanálnyit (0,0003 méter) mozog3). Ahhoz, hogy megtaláljuk vízünk tömegét, megszorozzuk sűrűségével: 1000 kilogramm/méter3 × 0,0003 méter3 = 0,03 kilogramm.
6. lépés Hasonlítsa össze a kiömlött víz tömegét a tárgy tömegével
Most, hogy ismeri a vízben elmerülő tárgy tömegét és a kiömlött víz tömegét, hasonlítsa össze őket, hogy lássa, melyik tömeg nagyobb. Ha egy kis tartályba merített tárgy tömege nagyobb, mint a kiömlött víz, a tárgy elsüllyed. Másrészt, ha a kiömlött víz tömege nagyobb, a tárgy lebeg. Ez a felhajtóerő elve a kísérletben - ahhoz, hogy egy tárgy lebegjen, ki kell szorítania egy vízmennyiséget, amelynek tömege nagyobb, mint maga a tárgy.
- Így az alacsony tömegű, de nagy térfogatú tárgyak a legegyszerűbben lebegő tárgyak. Ez a tulajdonság azt jelenti, hogy az üreges tárgyak nagyon könnyen lebegnek. Képzeljünk el egy kenut - a kenu jól úszik, mert belül üreges, így sok vizet képes mozgatni anélkül, hogy nagy tömege lenne. Ha a kenu nem üreges (szilárd), akkor a kenu nem fog megfelelően lebegni.
- Példánkban az autó tömege (0,05 kilogramm) nagyobb, mint a kiömlött vízé (0,03 kilogramm). Ez megegyezik azzal, amit megfigyelünk: az autók elsüllyednek.
