Kelluvuus: mikä se on, kaava, Archimedeksen periaate

O kelluvuus on voima, joka vaikuttaa osittain tai kokonaan upotettuihin esineisiin nesteitäkuten ilmaa ja vettä. Työntövoima on avektorin suuruussiellä, mittaa newtonit, joka osoittaa aina samasuunta ja mielessävastapäätä upotetun ruumiin painoon. Archimedesin periaatteen mukaan kehoon kohdistuva kelluva voima on yhtä suuri kuin Paino kehon upotuksen vuoksi syrjäytetystä nesteestä.

Katsomyös: Pascalin lause ja hydraulisten mäntien toiminta

työntövoiman määritelmä

Työntövoima on a vahvuus joka syntyy, kun joku keho vie tilaa nesteessä. Tällainen vahvuus riippuu yksinomaan syrjäytyneen nesteen tilavuus, yhtä hyvin kuin nestetiheys ja paikallinen painovoima. Näiden tietojen perusteella tarkastellaan kaavaa, jota käytetään laskettaessa kelluvan voiman moduuli:

JA - työntövoima (N)
d - nesteen tiheys (kg / m³)
V - ruumiin upotettu tai syrjäytetyn nesteen tilavuus

Ennen kuin jatkat muutamilla työntöesimerkkeillä, selitämme jokaisen suuruudetmukana työntövoimaa laskettaessa. Jos haluat mennä syvemmälle aiheeseen, suosittelemme, että tutustut tekstiin

Hydrostaatit. Tästä artikkelista löydät yhteenvedon kaikesta, mikä on tärkeintä tällä fysiikan tutkimusalueella.

Katsomyös: Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää aaltoista

• työntövoima (E)

työntövoima on vektori, joten tämän suuruuden laskelmien suorittamiseksi on välttämätöntä soveltaa vektorien lisäyssäännöt. Lisäksi, koska se on a vahvuus, monimutkaisempien harjoitusten ratkaiseminen edellyttää, että lopulta käytämme Newtonin toinen laki, joka väittää, että kehoon kohdistuva nettovoima on yhtä suuri kuin sen massan ja kiihtyvyyden tulo.

Seuraava kuva kuvaa tapausta, jossa ruumis upotetaan kokonaan nesteeseen, kun paino ja kelluvuus vaikuttavat. samaan suuntaan (pystysuora), mutta vastakkaisiin suuntiin, tuloksena oleva voima voidaan laskea erolla kaksi:

Kuvassa painon ja työntövoiman ero antaa nettovoiman.

Esitetystä kaaviosta on mahdollista nähdä, miten kelluva saldoeli on mahdollista tietää, uppoutuuko ruumiisi vai pysyykö se pinnalla:

• Jos ruumiin paino on suurempi kuin nesteen työntövoima, esine uppoaa;
• Jos ruumiin paino on yhtä suuri kuin nesteen työntövoima, esine pysyy tasapainossa;
• Jos ruumiinpaino on pienempi kuin työntövoima, esine kelluu nesteen pinnalle.

Katsomyös: Kuinka kvanttifysiikka on vaikuttanut ihmiskuntaan?

• Nestetiheys (d)

THE tiheystai nesteen spesifinen massa viittaa aineen määrä nestemäärän yksikköä kohti. Tiheys on a suuruuskiivetä, mitattuna kilogramman yksikkönä kuutiometriä kohti (kg / m³) Kansainvälinen mittausjärjestelmä (SI).

Tarkista alla olevan kehon tiheyden laskemiseen käytetty kaava:

Alun perin kaikkien kappaleiden tiheys mitattiin puhtaan veden tiheyden funktiona, joten veden tiheys normaaleissa paine- ja lämpötilaolosuhteissa (1 atm ja 25 ° C) määritetään 1000 kg / m³.

Vaikka käytämme SI-yksiköitä laskelmien tekemiseen, se on yleistä nestetiheydelle ilmaistaan ​​muissa yksiköissä, joten alla olevassa kuvassa esitetään kaavio, joka liittyy klo päätiheyden mittausyksiköt ja niiden ja vakioyksikön väliset suhteet:

Kaavion mukaan 1000 kg / m³ on 1 kg / l ja 1 g / cm3.

Esitetyssä kuvassa esitetään yleisimmät nestetiheysyksiköt, mutta saatat törmätä muihin yksiköihin, jolloin sinun on osattava käyttää kansainvälisen yksikköjärjestelmän etuliitteetsekä esiintyä volyymimuunnokset.

Katsomyös:Auttaako kylmä vesi laihtua?

• Vakavuus (g)

painovoima on kiihtyvyys että maapallon massa kohdistuu kaikkiin kehoihin jotka ovat ympärilläsi. Merenpinnalla painovoima da Terran intensiteetti on 9,81 m / s², mutta useimmissa harjoituksissa käytetään tätä toimenpidettä pyöristettynä arvoon 10 m / s², muista käyttää painovoimaa lausekkeen Harjoittele.

• Siirretty nesteen tilavuus tai ruumiin tilavuus (V)

Työntökaavan sisältämän tilavuuden suuruus riippuu tilavuuden suuruudesta ruumiin tilavuus on upotettu nesteeseen, tai siirtyneen nesteen tilavuus. Kyseisen ruumiin tilavuus on mitattava kuutiometreinä (m³).

Archimedeksen periaate

Spekulaation mukaan Archimedeksen periaate kehitettiin, kun eräänä päivänä kreikkalainen matemaatikko tajusi sen tullessaan kylpyynsä täyteen vettä, suuri määrä nestettä putoaa kylpyammeesta - sama määrä kuin sinun runko. Tämän havainnon jälkeen Archimedes päätteli, että kylpyammeesta pudonneen veden massa ja näin ollen paino eivät olleet yhtä suuret kuin sen paino ja massa ja että tämä ero selittäisi miksi ruumiit kelluvat.

Sitten todetaan, että:

"Kun mikä tahansa ruumis työnnetään nesteeseen, kehoon tulee pystysuora ja ylöspäin suuntautuva kelluva voima. Tämä voima on yhtä suuri kuin syrjäytetyn nesteen paino "

vaihtelutapaukset

On mahdollista verrata nesteen ja veden alla olevan ruumiin tiheyksiä sen ennustamiseksi uppoaa, kelluu tai jäädä sisään saldo. Katsotaanpa nämä tilanteet:

→ uppoava runko: jos nesteeseen upotettu esine uppoaa, voidaan päätellä, että sen tiheys on suurempi kuin nestetiheyssamoin sanomme, että sen paino on suurempi kuin nesteen työntövoima.

→ Keho tasapainossa: jos nesteelle asetettu kappale pysyy tasapainossa eli paikallaan, voimme sanoa niin kehon ja nesteen tiheydet ovat samat, sekä sen paino ja työntövoima.

→ Kelluva runko: kun runko kelluu, vapautuessaan nesteeseen siihen kohdistuva työntövoima on suurempi kuin sen paino, joten voimme sanoa, että tämän ruumiin tiheys on pienempi kuin nesteen tiheys mistä hän löytää itsensä.

Katso myös: Voiko matkapuhelimen jatkuva käyttö vahingoittaa terveyttäsi? Ota siitä selvää!

näennäinen paino

Olet todennäköisesti huomannut, että jotkut elimet näyttävät kevyemmiltä kuin ne todellisuudessa ovat, jos ne asetetaan veteen. Tämä johtuu siitä, että upotettuna painon lisäksi meillä on kelluvuus näytteleminen. Näiden kahden voiman välinen ero tunnetaan näennäispainona.

Huomaa, että jos painolla ja työntövoimalla on sama suuruus, ruumiin näennäinen paino on nolla, eli tässä tilassa se on ikään kuin esineellä ei olisi lainkaan painoa, ja siksi se on pysähtynyt nesteestä.

Esimerkkejä kelluvuudesta

Katso joitain esimerkkejä tilanteista, joissa kelluva voima esiintyy ilmeikkäästi:

• Koska se on vähemmän tiheää kuin nestemäinen vesi, jää pyrkii kellumaan;
• Vesihöyryllä ja kuumalla ilmalla on taipumus nousta, koska kun ne ovat kuumempia, ne vievät enemmän tilaa, jolloin niiden tiheys on pienempi kuin kylmän ilman;
• Samppanjakuplat koostuvat hiilidioksidi, joka on moninkertaisesti vähemmän tiheä kaasu kuin vesi, joten kun avaat pullon samppanjaa, nämä kuplat poistuvat väkivaltaisesti nesteestä;
• Kelluvat puolueen ilmapallot tekevät niin ilmakehän kelluvuuden vuoksi, koska ne ovat täynnä ilmakehän kaasua vähemmän tiheitä kaasuja, kuten heliumkaasua.

ratkaistut harjoitukset

Kysymys 1-(Enem 2011)  Järvessä olevan veden tiheyden määrittämiseksi suoritetussa kokeessa käytettiin joitain materiaaleja kuvattu: dynamometri D, jonka asteikko on 0 N - 50 N, ja massiivinen ja homogeeninen kuutio, jonka reuna on 10 cm ja massa 3 kg. Aluksi tarkastettiin dynamometrin kalibrointi tarkistamalla 30 N: n lukema, kun kuutio kiinnitettiin dynamometriin ja ripustettiin ilmassa. Upottamalla kuutio järvivedeen, kunnes puolet sen tilavuudesta on uponnut, 24 N: n lukema rekisteröitiin dynamometrillä.

Ottaen huomioon, että paikallinen painovoimakiihtyvyys on 10 m / s², järviveden tiheys, kg / m³, on:

a) 0,6
b) 1.2
c) 1,5
d) 2.4
e) 4.8

Resoluutio

Vaihtoehto b.

Ensinnäkin on ymmärrettävä, että dynamometrillä kirjattu "painon" ero viittaa järviveden aiheuttamaan kelluvaan voimaan, joka tässä tapauksessa oli yhtä suuri kuin 6 N. Sen jälkeen voimme soveltaa kelluvuuskaavaa käyttämällä tarkkailulaskua harjoituksen antamien tietojen avulla:

Yllä olevan laskutoimituksen suorittamiseksi meidän oli muunnettava kuution tilavuus kuutiosenttimetreinä kuutiometreiksi.

Kysymys 2 -(Enem 2010) Klubin rakennustöiden aikana joukko työntekijöitä joutui poistamaan massiivisen rautaveistoksen, joka oli sijoitettu tyhjän uima-altaan pohjaan. Viisi työntekijää kiinnitti köyden veistokseen ja yritti vetää sitä ylös ilman menestystä. Jos uima-allas on täynnä vettä, työntekijöiden on helpompi poistaa veistos, koska:

a) veistos kelluu. Tällä tavalla miesten ei tarvitse rasittaa veistoksen poistamista pohjasta.
b) veistoksen paino on kevyempi, joten veistoksen nostamiseen tarvittavan voiman voimakkuus on pienempi.
c) vesi kohdistaa veistoon voimaa verrannollisesti sen massaan ja ylöspäin. Tämä voima lisätään voimaan, jota työntekijät käyttävät veistoksen painovoiman toiminnan peruuttamiseen.
d) vesi kohdistaa veistokseen alaspäin suuntautuvan voiman ja se saa ylöspäin suuntautuvan voiman altaan lattiasta. Tämä voima auttaa poistamaan veistoksen painovoiman vaikutuksen.
e) vesi kohdistaa veistokseen voiman verrannollisesti sen tilavuuteen ja ylöspäin. Tämä voima lisää työntekijöiden käyttämää voimaa ja voi johtaa ylöspäin suuntautuvaan voimaan kuin veistoksen paino.

Resoluutio

Vaihtoehtoinen e. Kun uima-allas on täytetty vedellä, kelluva voima vaikuttaa siihen pystysuunnassa ja ylöspäin, joten se on "kevyempi" ja poistettavissa helpommin altaan pohjasta.

Kirjailija: Rafael Hellerbrock
Fysiikan opettaja