Ako vypočítať vztlak?
Ak chcete vypočítať vztlak, začnite zisťovaním objemu ponorenej časti objektu. Ďalej identifikujte hustotu tekutiny pomocou referenčných materiálov, ktoré máte po ruke. Čím hlbšie je pevný predmet ponorený a čím vyššia je hustota tekutiny, tým väčšia je sila vztlaku. Potom nájdite gravitačnú silu. Keď poznáte objem, hustotu a gravitáciu, vynásobte ich dohromady a zistite vztlak predmetu! Ak sa chcete naučiť experiment, aby ste vyskúšali vztlak, pokračujte v čítaní článku!
Ako vypočítam stred vztlaku pre obdĺžnikový betón čiastočne ponorený do vody?
Vztlak je sila pôsobiaca proti smeru gravitácie, ktorá ovplyvňuje všetky predmety ponorené do tekutiny. Keď je predmet vložený do tekutiny, hmotnosť predmetu tlačí na tekutinu (kvapalinu alebo plyn) nadol, zatiaľ čo vztlaková sila nahor tlačí na predmet nahor, pričom pôsobí proti gravitácii. Vo všeobecnosti možno túto vztlakovú silu vypočítať podľa rovnice F b = v s × D × g, kde F b je vztlaková sila, ktorá pôsobí na predmet, V s je ponorený objem predmetu, D je hustota tekutiny, do ktorej je predmet ponorený, a g je gravitačná sila. Ak sa chcete dozvedieť, ako určiť vztlak objektu, na začiatku si pozrite krok 1 nižšie.
Metóda 1 z 2: pomocou rovnice vztlakovej sily
- 1Nájdite objem ponorenej časti objektu. Sila vztlaku, ktorá pôsobí na predmet, je priamo úmerná objemu predmetu, ktorý je ponorený. Inými slovami, čím viac je pevný predmet ponorený, tým väčšia je sila vztlaku, ktorá naň pôsobí. To znamená, že aj predmety, ktoré sa potápajú v kvapaline, majú vztlakovú silu, ktorá na ne tlačí nahor. Na začiatku výpočtu vztlakovej sily pôsobiacej na predmet by vašim prvým krokom malo byť spravidla určenie objemu predmetu, ktorý je ponorený do tekutiny. Pre rovnicu vztlakovej sily by táto hodnota mala byť v metroch 3.
- V prípade predmetov, ktoré sú úplne ponorené do tekutiny, sa ponorený objem bude rovnať objemu samotného predmetu. Pri objektoch, ktoré plávajú na povrchu tekutiny, sa berie do úvahy iba objem pod povrchom tekutiny.
- Ako príklad povedzme, že chceme nájsť vztlakovú silu pôsobiacu na gumovú guľu plávajúcu vo vode. Ak je loptička dokonalá guľa s priemerom 1 meter (3,3 stopy) a pláva presne do polovice ponorená vo vode, objem ponorenej časti nájdeme tak, že nájdeme objem celej gule a rozdelíme ju na polovicu. Pretože objem gule je (1,33) π (polomer) 3, vieme, že objem našej gule je (1,33) π (0,5) 3 = 0,524 metra 3. 0,522 = 0,262 metra 3 ponorené.
- 2Zistite hustotu svojej tekutiny. Ďalším krokom v procese zistenia vztlakovej sily je definovanie hustoty (v kilogramoch/meter 3) kvapaliny, do ktorej je predmet ponorený. Hustota je mierou hmotnosti predmetu alebo látky v pomere k jej objemu. Vzhľadom na dva objekty rovnakého objemu bude predmet s vyššou hustotou vážiť viac. Spravidla platí, že čím vyššia je hustota tekutiny, do ktorej je predmet ponorený, tým väčšia je sila vztlaku. Pri tekutinách je všeobecne najľahšie určiť hustotu jednoduchým vyhľadaním v referenčných materiáloch.
- V našom prípade naša guľa pláva vo vode. Po konzultácii s akademickým zdrojom môžeme zistiť, že voda má hustotu asi 1 000 kilogramov/meter 3.
- Hustoty mnohých ďalších bežných kvapalín sú uvedené v technických zdrojoch. Jeden taký zoznam nájdete tu.
- 3Nájdite gravitačnú silu (alebo inú silu smerom dole). Bez ohľadu na to, či sa predmet potápa alebo pláva v tekutine, do ktorej je ponorený, vždy naň pôsobí gravitačná sila. V skutočnom svete je táto konštantná sila smerom nadol asi 9,81 newtonov/kilogram. V situáciách, v ktorých na tekutinu a predmet ponorený do nej pôsobí iná sila, ako napríklad odstredivá sila, je však potrebné to vziať do úvahy aj pri určovaní celkovej sily „smerom nadol“ pre celý systém.
- V našom prípade, ak máme do činenia s bežným, stacionárnym systémom, môžeme predpokladať, že jedinou silou smerujúcou nadol na tekutinu a predmet je štandardná gravitačná sila - 9,81 newtonov/kilogram.
Spravidla platí, že čím vyššia je hustota tekutiny, do ktorej je predmet ponorený, tým väčšia je sila vztlaku. - 4Vynásobte objem × hustotu × gravitáciu. Keď máte hodnoty pre objem svojho predmetu (v metroch 3), hustotu vašej tekutiny (v kilogramoch/meter 3) a gravitačnú silu (alebo silu systému smerom dole v Newtonoch/Kilogramoch), nájdite vztlaková sila je jednoduchá. Jednoducho vynásobte tieto 3 veličiny, aby ste zistili silu vztlaku v newtonoch.
- Vyriešime náš príkladový problém vložením našich hodnôt do rovnice F b = V s × D × g. F b = 0,262 metra 3 × 1000 kilogramov/meter 3 × 9,81 newtonov/kilogram = 2570 newtonov. Ostatné jednotky sa navzájom rušia a nechávajú vám Newtonov.
- 5Porovnajte s jeho gravitačnou silou a zistite, či sa váš objekt vznáša. Pomocou rovnice vztlakovej sily je ľahké nájsť silu, ktorá tlačí predmet hore z tekutiny, do ktorej je ponorený. S trochou práce navyše je však možné určiť, či sa predmet bude vznášať alebo potápať. Jednoducho nájdite vztlakovú silu pre celý objekt (inými slovami, použite celý jeho objem ako V s), potom nájdite gravitačnú silu, ktorá ho tlačí nadol, pomocou rovnice G = (hmotnosť predmetu) (9,81 metra/sekundu 2). Ak je sila vztlaku väčšia ako gravitačná sila, predmet bude plávať. Na druhej strane, ak je gravitačná sila väčšia, klesne. Ak sú si rovné, objekt je údajne neutrálne vznášajúci sa.
- Neutrálne vznášajúci sa predmet nebude vznášať sa k hladine, ani klesať na dno, keď je vo vode. Bude len zavesený v kvapaline niekde medzi hornou a dolnou časťou.
- Povedzme napríklad, že chceme vedieť, či 20 -kilogramový valcový drevený sud s priemerom 0,75 metra (2,5 ft) a výškou 1,25 metra (4,1 ft) bude plávať vo vode. Bude to trvať niekoľko krokov:
- Jeho objem nájdeme pomocou valcového objemového vzorca V = π (polomer) 2 (výška). V = π (0,375) 2 (1,25) = 0,55 metra 3.
- Ďalej za predpokladu bežnej gravitácie a vody s bežnou hustotou môžeme vyriešiť silu vztlaku na hlaveň. 0,55 metra 3 × 1000 kilogramov/meter 3 × 9,81 newtonov/kilogram = 5395,5 newtonov.
- Teraz budeme musieť nájsť gravitačnú silu na hlaveň. G = (20 kg) (9,81 metra/sekundu 2) = 196,2 newtonov. To je oveľa menej ako vztlaková sila, takže hlaveň bude plávať.
- 6Rovnaký prístup použite, ak je vašou tekutinou plyn. Pri problémoch so vztlakom nezabúdajte, že tekutina, do ktorej je predmet ponorený, nemusí nutne byť tekutinou. Plyny sa tiež počítajú ako tekutiny a napriek tomu, že majú v porovnaní s inými druhmi látok veľmi nízku hustotu, môžu stále podporovať hmotnosť určitých predmetov, ktoré v nich plávajú. Jednoduchý héliový balón je toho dôkazom. Pretože plyn v balóne je menej hustý ako tekutina okolo neho (obyčajný vzduch), pláva!
Metóda 2 z 2: Vykonanie jednoduchého experimentu so vztlakom
- 1Do väčšej vložte malú misku alebo pohár. S niekoľkými domácimi predmetmi je ľahké vidieť princípy vztlaku v akcii! V tomto jednoduchom experimente ukážeme, že ponorený predmet zažíva vztlak, pretože vytláča objem tekutiny rovnajúci sa objemu ponoreného objektu. Keď to robíme, tiež ukážeme, ako pomocou tohto experimentu prakticky nájsť vztlakovú silu objektu. Na začiatok umiestnite malú otvorenú nádobu, napríklad misku alebo pohár, do väčšej nádoby, napríklad veľkej misy alebo vedra.
Na začiatku výpočtu vztlakovej sily pôsobiacej na predmet by vašim prvým krokom malo byť spravidla určenie objemu predmetu, ktorý je ponorený do tekutiny. - 2Naplňte vnútornú nádobu po okraj. Potom naplňte malú vnútornú nádobu vodou. Chcete, aby hladina vody bola na samom vrchu nádoby bez rozliatia. Tu buďte opatrní! Ak rozlejete vodu, vyprázdnite väčšiu nádobu a potom to skúste znova.
- Na účely tohto experimentu je možné predpokladať, že voda má štandardnú hustotu 1000 kilogramov/meter 3. Pokiaľ nepoužívate úplne slanú vodu alebo inú kvapalinu, väčšina typov vody bude mať hustotu dostatočne blízku tejto referenčnej hodnote, že akékoľvek menšie rozdiely nezmenia naše výsledky.
- Ak máte po ruke kvapkadlo, môže to veľmi pomôcť pri presnom vyrovnávaní vody vo vnútornej nádobe.
- 3Ponorte malý predmet. Ďalej nájdite malý predmet, ktorý sa zmestí do vnútornej nádoby a nepoškodí ho voda. Nájdite hmotnosť tohto objektu v kilogramoch (možno budete chcieť použiť váhu alebo váhu, ktorá vám môže poskytnúť gramy a previesť až na kilogramy). Potom, bez toho, aby ste nechali svoje prsty navlhnúť, pomaly a stabilne ich ponorte do vody, až kým nezačne plávať, alebo sa ho len sotva dokážete držať, potom pustite. Mali by ste si všimnúť, že časť vody vo vnútornej nádobe sa preliala cez okraj do vonkajšej nádoby.
- Na účely nášho príkladu povedzme, že spúšťame autíčko s hmotnosťou 0,05 kilogramu do vnútorného kontajnera. Na výpočet jeho vztlaku nepotrebujeme poznať objem tohto auta, ako uvidíme v nasledujúcom kroku.
- 4Zbierajte a merajte vodu, ktorá sa rozlieva. Keď ponoríte predmet do vody, vytlačí časť vody - ak nie, nebol by priestor, aby sa dostal do vody. Keď vytlačí túto vodu z cesty, voda sa odtlačí späť, čo má za následok vztlak. Vyberte vodu, ktorá sa vyliala z vnútornej nádoby, a nalejte ju do malej sklenenej odmerky. Objem vody v pohári by sa mal rovnať objemu ponoreného predmetu.
- Inými slovami, ak váš predmet pláva, objem vody, ktorý sa rozleje, sa bude rovnať objemu predmetu ponoreného pod hladinu vody. Ak sa váš predmet potopil, objem vody, ktorý sa rozleje, sa bude rovnať objemu celého predmetu.
Ako zistím vztlak, keď je daný objem a telo je úplne ponorené do vody? - 5Vypočítajte hmotnosť rozliatej vody. Keďže poznáte hustotu vody a dokážete zmerať objem vody, ktorá sa vyliala do odmerky, nájdete jej hmotnosť. Jednoducho preveďte jeho objem na metre 3 (tu môže pomôcť online nástroj na konverziu, ako je tento) a vynásobte ho hustotou vody (1 000 kilogramov/meter 3).
- V našom prípade povedzme, že naše autíčko zapadlo do vnútorného kontajnera a vytlačilo asi dve polievkové lyžice (0,00003 metra 3). Aby sme zistili hmotnosť našej vody, vynásobíme ju jej hustotou: 1000 kilogramov/meter 3 × 0,00003 metra 3 = 0,03 kilogramu.
- 6Porovnajte hmotnosť vytlačenej vody s hmotnosťou objektu. Teraz, keď poznáte hmotnosť predmetu, ktorý ste ponorili do vody, a hmotnosť vody, ktorú vytlačil, porovnajte ich a zistite, ktorá je väčšia. Ak je hmotnosť predmetu ponoreného do vnútornej nádoby väčšia ako vytlačená voda, mal by sa potopiť. Na druhej strane, ak je hmotnosť vytesnenej vody väčšia, predmet mal plávať. Toto je princíp vztlaku v akcii - aby bol predmet vznášajúci sa (plávajúci), musí vytlačiť množstvo vody s hmotnosťou vyššou ako je hmotnosť samotného objektu.
- Objekty s nízkou hmotnosťou, ale veľkými objemami, sú teda najsilnejšími typmi predmetov. Táto vlastnosť znamená, že duté predmety sú obzvlášť živé. Myslite na kanoe - dobre pláva, pretože je vo vnútri dutá, takže dokáže vytlačiť veľa vody bez toho, aby mala veľmi vysokú hmotnosť. Keby boli kanoe pevné, neplávali by vôbec dobre.
- V našom prípade má auto vyššiu hmotnosť (0,05 kilogramu) ako voda, ktorú vytlačilo (0,03 kilogramu). To je v súlade s tým, čo sme pozorovali: auto sa potopilo.
- Na dosiahnutie presných meraní použite váhu alebo váhu, ktoré je možné po každom čítaní nastaviť na nulu.
- Malý pohár alebo misa
- Väčšia misa alebo vedro
- Malý ponorný predmet (ako gumová guľa)
- Odmerka
Prečítajte si tiež: Ako si urobiť domácu úlohu hneď po škole?
Otázky a odpovede
- Aký vztlak má nádrž s rozmermi 6 x 15 metrov?„Bouyancy“ je určená ponoreným objemom predmetu, nie veľkosťou nádrže.
- Aký je rozdiel medzi výpočtom hustoty a objemu?Výpočtový objem je dĺžka x šírka x hĺbka. Vyjadruje sa v kubických metroch (kubických stopách atď.), Pretože vynásobíte meter x meter x meter. Hustota súvisí s hmotnosťou predmetu a je vypočítaná ako hmotnosť/objem (hmotnosť delená objemom) vyjadrená v kg/meter kubický alebo podobne.
- Ako vypočítam hmotnosť potrubia s jednou hustotou vnútri a inou hustotou vonku, ak je potrubie zatvorené?Hmotnosť závisí od gravitácie a/alebo vztlaku. Máte na mysli hmotnosť potrubia? Ak chcete nájsť hmotnosť potrubia, vypočítajte objem stien potrubia a vynásobte ich hustotou materiálu. To isté urobte s objemom materiálu, ktorý rúrka obklopuje, a obidva výsledky spojte, aby ste našli hmotu. Potom to môžete zapojiť do vyššie uvedeného výpočtu.
- Telo pláva vo vode so 70% objemu vo vode. Keď to isté telo pláva v inej tekutine, vznáša sa so 60%objemu mimo kvapaliny. Aká je relatívna hustota kvapaliny?Vztlak vyvíjaný v oboch prípadoch je rovnaký, pretože telo je v pokoji. Ak má objem V, potom F = 0,7 Vρ₁g = 0,6 Vρ₂g kde ρ₁ je hustota prvej kvapaliny, ρ₂ je hustota druhej kvapaliny a g je gravitačné zrýchlenie. Relatívna hustota je ρ₁ / ρ₂, preto musíme hustoty podriadiť. ρ₁ = F/(0,7Vg) a ρ₂ = F/(0,6Vg), takže ρ₁/ρ₂ = (F/(0,7Vg))/(F/(0,6Vg)). F, V a g sa zrušia a dostanete ρ₁ / ρ₂ = 0,6 / 0,7 = 85,7%.
- Ak poznám ponorenú hmotnosť a vztlakovú silu predmetu, ako môžem určiť jeho hmotnosť vo vzduchu?Vztlaková sila = hmotnosť predmetu vo vode / hmotnosť predmetu vo vzduchu. Pripojte čísla, ktoré poznáte, a vyriešte ich.
- Aký je vztlak slanej vody?Vo všeobecnosti je slaná voda tvrdá. Vztlak slanej vody bude preto v porovnaní so sladkou vodou na vyššej strane.
- Ako vypočítam vztlak?Vztlaková sila sa rovná objemu kvapaliny vynásobenému hustotou a znásobenému gravitačnou silou.
- Ako vypočítam stred vztlaku pre obdĺžnikový betón čiastočne ponorený do vody?Betón váži približne 100 libier/cu.ft, zatiaľ čo voda váži približne 62,5 lbs/cu.ft. takže betón nemá vztlak. Všetko, čo je ľahšie ako špecifická hmotnosť 1 (62,5 libry), bude plávať. Všetko ťažšie sa potopí!
- Ako môžem nájsť hustotu tekutiny pomocou vztlakovej sily a objemu?Vydeľte vztlakovú silu o (objem x zrýchlenie spôsobené gravitáciou).
- Ako zistím, či sa predmet bude vznášať alebo potápať?Ak predmet váži viac ako rovnaký objem vody, je hustejší a klesne; ak váži menej ako rovnaký objem vody, je menej hustý a bude plávať.
Nezodpovedané otázky
- Aký je vzorec pre bočný tlak?
- Do akej miery by mala byť loď ponorená do vody?
- Ako vypočítam kapacitu plávajúceho pontónu v sladkej vode (napr. Koľko ľudí môže bezpečne stáť na plávajúcom pontóne)?
- Aký je vzorec pre bočný tlak pri výpočte vztlaku?
- Ako zistím vztlak, keď je daný objem a telo je úplne ponorené do vody?
Komentáre (9)
- Pomohlo mi to pochopiť, čo a ako je vztlak definovaný a určený.
- Dobre napísaný článok. Ľahko použiteľné vzorce.
- Podrobný článok s experimentom.
- Pomohlo mi porozumieť téme vztlakovej sily.
- Vysvetlenie, ako nájsť vztlakovú silu, je úžasné. Milujem túto stránku, veľmi mi pomáha. Ďakujem.
- Fungovalo to tak dobre. Niečo som sa naučil!
- Naozaj mi to veľmi pomohlo pri neskoršom kvíze.
- Vela pomaha Veľmi dobré jednoduché vysvetlenie.
- Anthony odviedol skvelú prácu a sprevádzal ma výpočtovou metódou vztlaku.
