Hur man beräknar hydrostatisk kraft

Den hydrostatiska kraften är en kraft som verkar i motsatt riktning mot gravitationen på alla föremål nedsänkt i en vätska. Vikten trycker på objektet på vätskan (vätska eller gas) medan flottören bär den uppåt, motverkar tyngdkraften. I allmänhet kan den hydrostatiska kraften beräknas med användning av formeln F_b = V_s × D × g, där F_b är den hydrostatiska kraften, V_s det är den nedsänkta volymen, D är densiteten hos vätskan i vilken föremålet är placerat och g är acceleration av tyngdkraften. För att lära dig hur man beräknar flytningen av ett objekt, läs den här handboken.

Metod 1

Använd hydrostatisk dragformel

Hitta volymen av den nedsänkta delen av objektet. Den hydrostatiska kraften är direkt proportionell mot volymen nedsänkta objektet mer är nedsänkt i vätskan, desto större den hydrostatiska kraften som verkar på den. Sådan åtgärd detekteras på ett objekt placeras i en fluid, varvid det första steget för att beräkna en sådan kraft bör alltid vara en bedömning av en sådan volym att för denna formel, bör det anges i meter³.

För objekter som helt nedsänkts motsvarar denna volym volymen av objektet självt. För de som flyter på ytan måste dock endast den underliggande delen beaktas.
Anta att vi vill överväga den hydrostatiska kraften av en gummiboll i vatten. Om det är en perfekt sfär diameter på en meter och om det är exakt hälften ut och hälften under vatten, kan vi hitta volymen doppat genom att beräkna vad hela bollen och dividera den med hälften. Eftersom en sfärens volym är (4/3) π (radie)³ , vi vet att vår boll är (4/3) π (0,5)³ = 0,524 meter³. 0,524 / 2 = 0.262 meter³ I vätskan.

Hitta densiteten hos vätskan. Nästa steg i processen för att hitta den hydrostatiska kraften är att definiera densiteten (i kilogram / meter³) av vätskan i vilken föremålet är nedsänkt. Densitet är ett mått i förhållande till vikten av ett föremål eller ämne med avseende på dess volym. Med tanke på två föremål med lika stor volym kommer den med den högsta densiteten att väga mer. Som en allmän regel gäller att ju högre densiteten hos fluiden i vilken är nedsänkt ett objekt, desto större det hydrostatiska trycket. Med vätskor är det vanligtvis lättare att hitta densiteten genom att bara titta på tabellerna relaterade till materialet.

I vårt exempel flyter bollen i vattnet. Genom att höra någon textbok finner vi att densiteten av vatten är ungefär 1000 kg / meter³.

Tätheten hos många andra vanliga vätskor visas i de tekniska tabellerna. En lista med denna typ hittas här.

Hitta kraften på grund av gravitation, det vill säga tyngdkraften (eller någon annan nedåtriktad kraft). Oavsett om föremålet fluktuerar eller är helt nedsänkt i vätskan, är det alltid föremål för gravitation. I den verkliga världen är denna konstant värd runt 9,81 newton / kilogram. Dessutom, i situationer där en annan kraft verkar, såsom centrifugalkraft, måste vi överväga kraft totalt vilket fungerar för hela systemet.

I vårt exempel, om vi har att göra med ett enkelt statiskt system, kan vi anta att den enda kraft som verkar ner i vätska placeras i standard gravitation - 9,81 newton / kilogram.

Hur som helst skulle det hända om vår boll flöt i en hink med full kraft i en horisontell cirkel? I det här fallet, förutsatt att skopan vrids tillräckligt snabbt så att de inte sticker ut vare sig vatten eller bollen, den kraft som pressar ner i denna situation härrör från centrifugalkraften som används för att rotera skopan, inte av jordens gravitation .

Multiplicera volymen × densitet × tyngdkraften. När du känner till objektets volym (i meter³), vätskets densitet (i kg / meter³) och tyngdkraften (eller som i ditt system, som skjuter ner), finner uppflyttningskraften är enkel. Multiplicera bara de tre kvantiteterna för att få ett newton-resultat.

Vi löser vårt problem genom att infoga värdena som finns i ekvation F_b = V_s × D × g. F_b = 0.262 meter³ × 1000 kg / meter³ × 9,81 newton / kilogram = 2.570 newton.

Ta reda på om ditt objekt flyter genom att jämföra det med sin vikt. Med hjälp av ekvationen just sett, är det lätt att hitta styrkan med vilken föremålet trycks ut från vätskan i vilken den är nedsänkt. Även med lite mer ansträngning kan du också bestämma om objektet kommer att flyta eller sjunka. Helt enkelt hitta den hydrostatiska kraften för hela objektet (med andra ord, använd hela volymen som V_s), hitta tyngdkraften med formeln G = (objektets massa) (9,81 meter / sekund²). Om den hydrostatiska kraften är större än vikten kommer objektet att flyta. Å andra sidan, om det är sämre, sjunker det. Om de är lika är det sagt att objektet "flyter neutralt".

Anta till exempel att vi vill veta om en cylindrisk trumma i 20 kg av trä med en diameter av 75 m höga och 1,25 m kommer att flyta i vatten. Denna studie kommer att kräva flera steg:

Vi kan hitta sin volym med cylinderformeln V = π (radie)²(Höjd). V = π (0,375)²(1,25) = 0,55 meter³.

Efter det, om man antar att vara under inverkan av tyngdkraften och att ha gemensam vanligt densitet vatten, kan vi beräkna den hydrostatiska kraften på pipan. 0,55 meter³ × 1000 kg / meter³ × 9,81 newton / kilogram = 5,395,5 newton.

Vid denna tidpunkt måste vi hitta tyngdkraften som verkar på fatet (dess viktkraft). G = (20 kg) (9,81 meter / sekund²) = 196,2 newton. Den senare är långt under den flytande kraften, så tunnan kommer att flyta.

Använd samma tillvägagångssätt när vätskan är en gas. När det gäller vätskor sägs det inte att det är en vätska. Gaserna behandlas som vätskor och, även om deras densitet är mycket låg jämfört med den hos andra typer av material, kan de fortfarande stödja vissa föremål som flyter inom dem. En ballong fylld med helium är ett typiskt exempel. Att vara en sådan gas mindre tät än vätskan som omger den (luften), det svänger!

Metod 2

Utför ett enkelt flytande experiment

Sätt en kopp eller en liten kopp i en större. Med några hushållsartiklar är det lätt att observera de hydrostatiska principerna i aktion! I detta enkla experiment kommer vi att visa att ett föremål yta utsattes för flotation, därför att den skiftar en vätskevolym som är lika med den nedsänkta volymen av objektet. Vi kommer också att kunna demonstrera med detta experiment hur man praktiskt taget hittar en hydrostatisk kraft av ett objekt. Börja med att placera en skål eller en kopp i en större behållare, till exempel ett handfat eller en hink.

Fyll behållaren till toppen. Fyll sedan den mindre inre behållaren med vatten. Vattennivån måste nå randen utan att komma ut. Var uppmärksam på denna punkt! Om du häller vatten, töm den större behållaren innan du försöker igen.

I detta försök är det säkert att anta att vatten har en standarddensitet på 1000 kg / meter³. Om du använder saltvatten eller en helt annan vätska, kommer de flesta typer av vatten har en ganska densitet nära denna referensvärde så att en del oändligt skillnaden inte kommer att förändra våra resultat.

Om du har en droppare handy kan det vara mycket användbart för att justera vattnet i den inre behållaren.

Immergi ett litet objekt. Vid det här tillfället, hitta ett litet föremål som kan passa inuti den inre behållaren utan att bli skadad av vatten. Hitta massan av detta objekt i kilogram (det är bättre att använda en skala eller en vipparm som kan ge dig att du kommer att konvertera gram pounds). Därefter, utan att låta fingrarna bli blöt, långsamt och stadigt doppa den i vatten tills den börjar flyta eller kan inte hålla honom, låt honom gå. Du bör märka att vattnet läcker från kanten på den inre behållaren och faller ut.

För vårt exempel, anta att vi nedsänker en leksaksbil med en massa på 0,05 kilo i den inre behållaren. Det är inte nödvändigt att veta volymen på denna bil för att beräkna uppdrift, vilket vi kommer att se i nästa steg.

Samla och mäta vattnet som häller. På sänka ett föremål i vattnet, rör det vätske om det inte händer, betyder det att det inte finns något utrymme för att gå i vattnet. När den trycker mot vätskan svarar den genom att trycka i sin tur vilket ger upphov till flytkraft. Ta vattnet överflödigt från den inre behållaren och häll det i en glasmätare. Vattenmängden i koppen måste vara lika med den för delen av det nedsänkta objektet.

Med andra ord, om ditt objekt flyter, kommer volymen av vatten som rinner vara lika med volymen av objektet nedsänkt under vattenytan. Om den sänker, kommer volymen av vatten som hälls att vara lika med volymen av hela föremålet.

Beräkna vikten av det spillda vattnet. Eftersom du vet vattnets densitet och du kan mäta volymen vatten du har hällt i mätbägaren kan du hitta dess massa. Konvertera bara denna volym till meter³ (ett online konverteringsverktyg, som detta, kan hjälpa) och multiplicera det med täthet av vatten (1000 kg / meter³).

I våra exempel, anta att vår leksaksbil sjunker in i den inre behållaren och rör sig om två teskedar vatten (0.00003 meter³). För att hitta massan av vatten måste vi multiplicera den med dens densitet: 1000 kg / meter³ × 0.00003 meter³ = 0,03 kg.

Jämför massan av vattnet som flyttas med objektets. Nu när du vet att massan av objektet nedsänkt i vatten och vattnet rörde sig, gör en jämförelse för att se vilken som är större. Om massan av objektet nedsänkt i den inre behållaren är större än den förskjutna, bör den sjunka. Å andra sidan, om massan av det rörda vattnet är större, bör föremålet förbli på ytan. Detta är principen om flytkraft i aktion - för ett objekt att flyta, måste flytta en massa vattenvolym som är större än den hos själva objektet.

Sålunda är föremål med små massor men med stora volymer de som tenderar mest att förbli på ytan. Den här egenskapen innebär att ihåliga föremål tenderar att flyta. Tänk på en kanot: det fluktuerar bra eftersom det är ihåligt inuti, så det kan flytta mycket vatten även utan att ha en mycket hög massa. Om kanoterna var fasta skulle de säkert inte flyta bra!

I vårt exempel har bilen en högre massa (0,05 kg) än vatten (0,03 kg). Detta bekräftar vad som har observerats: leksaksbilen sjunker.

tips

Använd en skala eller balans som du kan återställa till noll efter varje läsning så att du kan hitta mer exakta mätningar.

Saker du behöver

Kopp eller liten kopp
Större behållare eller hink
Litet objekt att doppa (som en gummiboll)
mätning cup

Visa mer ... (5)

Dela på sociala nätverk:

Relaterade