نیروی شناوری نیرویی مخالف گرانش است که بر همه اجسام غوطه ور در سیال تأثیر می گذارد. وقتی جسمی در سیال قرار می گیرد ، جرم آن به سیال (مایع یا گاز) فشار می آورد ، در حالی که نیروی شناوری جسم را به سمت گرانش می کشاند. به طور کلی ، این نیروی شناور را می توان با معادله محاسبه کرد افآ = Vt × گرم ، با Fآ نیروی شناوری است ، Vt حجم جسم غوطه ور ، چگالی سیال و g نیروی گرانشی است. برای یادگیری نحوه تعیین شناوری یک شیء ، برای شروع به مرحله 1 زیر مراجعه کنید.
گام
روش 1 از 2: استفاده از معادله شناوری
مرحله 1. حجم قسمت غوطه ور شده جسم را پیدا کنید
نیروی شناوری که بر روی یک جسم وارد می شود متناسب با حجم آن است. به عبارت دیگر ، هرچه قسمت جامد غوطه ور در جسم بزرگتر باشد ، نیروی شناوری که بر جسم وارد می شود بیشتر است. این بدان معناست که اجسامی که در مایع غوطه ور شده اند دارای نیروی شناوری هستند که جسم را به سمت بالا هل می دهد. برای شروع محاسبه نیروی شناور وارد بر یک جسم ، اولین قدم شما معمولاً تعیین حجم جسم غوطه ور در سیال است. برای معادله شناوری ، این مقدار باید بر حسب متر باشد3.
- برای جسمی که به طور کامل در سیال غوطه ور شده اند ، حجم غوطه ور شده برابر با حجم خود جسم است. برای اجسامی که در بالای سطح سیال شناور هستند ، فقط حجم زیر سطح محاسبه می شود.
- برای مثال ، فرض کنید ما می خواهیم نیروی شناوری را که بر روی یک توپ لاستیکی شناور بر روی آب شناور است ، بیابیم. اگر توپ لاستیکی یک کره کامل با قطر 1 متر باشد و با نیمی از آن در زیر آب شناور باشد ، با یافتن حجم کل کره و تقسیم بر دو ، می توانیم حجم قسمت غوطه ور را پیدا کنیم. از آنجا که حجم کره (4/3) (شعاع) است3 ، ما می دانیم که حجم کره ما (4/3) π (0 ، 5)3 = 0.524 متر3. 0, 524/2 = 0.262 متر3 فرو رفتن.
مرحله 2. چگالی مایع خود را پیدا کنید
گام بعدی در فرایند یافتن شناوری ، تعیین چگالی (بر حسب کیلوگرم/متر) است3) سیالی که جسم در آن غوطه ور شده است. چگالی اندازه گیری جرم یک جسم یا ماده نسبت به حجم آن است. اگر دو جسم با حجم یکسان داده شود ، جسم با چگالی بیشتر جرم بیشتری خواهد داشت. طبق این قانون ، هرچه چگالی سیالی که جسم در آن غوطه ور است بیشتر باشد ، نیروی شناور بیشتر است. با مایعات ، معمولاً ساده ترین راه برای تعیین چگالی ، جستجوی آن در یک ماده مرجع است.
- در مثال ما ، توپ ما در آب شناور است. با بررسی منابع دانشگاهی ، می توان دریافت که چگالی آب تقریباً است. 1000 کیلوگرم در متر3.
- چگالی سیالات مورد استفاده در منابع مهندسی ذکر شده است. یکی از لیست ها را می توانید در اینجا پیدا کنید.
مرحله 3. نیروی گرانش (یا نیروی نزولی دیگر) را بیابید
این که آیا یک جسم در سیال فرو می رود یا شناور می شود ، همیشه دارای نیروی گرانشی است. در دنیای واقعی ، ثابت نیروی نزولی برابر است با 9.81 نیوتون/کیلوگرم به با این حال ، در شرایطی که نیروهای دیگر ، مانند نیروی گریز از مرکز ، روی سیال و جسم غرق شده در آن عمل می کنند ، این نیرو نیز باید برای تعیین نیروی نزولی خالص برای کل سیستم مورد توجه قرار گیرد.
- در مثال ما ، ما با یک سیستم معمولی و ایستا کار می کنیم ، بنابراین می توان فرض کرد که تنها نیروی رو به پایین که بر سیالات و اجسام تأثیر می گذارد ، نیروی جاذبه عمومی است - 9.81 نیوتون/کیلوگرم.
- با این حال ، اگر توپ ما ، که در یک سطل آب شناور است ، با سرعت زیاد به صورت دایره در جهت افقی بچرخد ، چه می شود؟ در این حالت ، با فرض اینکه سطل به اندازه کافی سریع چرخانده می شود تا آب و توپ نریزد ، نیروی رو به پایین در این وضعیت از نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش سطل ناشی می شود ، نه از جاذبه زمین.
مرحله 4. حجم × چگالی × گرانش را ضرب کنید
اگر مقدار حجم شیء خود را دارید (بر حسب متر)3) ، چگالی مایع شما (بر حسب کیلوگرم/متر)3) ، و نیروی گرانش (نیروی رو به پایین سیستم شما) ، بنابراین یافتن شناوری بسیار آسان است. کافی است این سه مقدار را ضرب کنید تا نیروی شناوری را در نیوتون پیدا کنید.
بیایید مشکل مثال خود را با اتصال مقادیر خود به معادله F حل کنیمآ = Vt × گرم افآ = 0.262 متر3 1000 کیلوگرم در متر3 8 9.81 نیوتن/کیلوگرم = 2570 نیوتون.
مرحله 5. با مقایسه شناوری با نیروی گرانشی ، ببینید آیا جسم شما شناور است یا خیر
با استفاده از معادله شناوری ، به راحتی می توان نیرویی را پیدا کرد که یک جسم را از سیال به بالا و خارج می کند. با این حال ، با کمی تلاش اضافی ، می توان تعیین کرد که آیا یک شی شناور می شود یا غرق می شود. کافی است نیروی شناور را برای کل شی پیدا کنید (به عبارت دیگر ، از کل حجم برای مقدار V استفاده کنیدt) ، سپس نیروی گرانشی را که با معادله G = (جرم جسم) به سمت پایین فشار می آورد (9.81 متر بر ثانیه2) اگر نیروی شناوری بیشتر از نیروی گرانشی باشد ، جسم شناور می شود. از طرف دیگر ، اگر نیروی گرانشی بیشتر از نیروی شناور باشد ، جسم فرو می رود. اگر اندازه ها یکسان باشد ، گفته می شود که جسم شناور است.
-
برای مثال ، فرض کنید می خواهیم بدانیم که آیا بشکه استوانه ای چوبی با جرم 20 کیلوگرم و قطر 0.75 متر و ارتفاع 1.25 متر در آب شناور می شود یا خیر. این مشکل از چندین مرحله استفاده می کند:
- ما می توانیم حجم را با فرمول حجم استوانه V = (شعاع) پیدا کنیم2(بلند قد). V = (0 ، 375)2(1, 25) = 0.55 متر3.
- بعد ، با فرض اینکه مقدار گرانش معمولی و آب چگالی معمولی است ، می توانیم نیروی شناور بشکه را پیدا کنیم. 0.55 متر3 × 1000 کیلوگرم در متر3 8 9.81 نیوتن/کیلوگرم = 5،395 ، 5 نیوتن.
- اکنون ، ما باید نیروی گرانشی بشکه را پیدا کنیم. G = (20 کیلوگرم) (9.81 متر در ثانیه)2) = 196.2 نیوتن به این نیرو کمتر از نیروی شناور است ، بنابراین بشکه شناور می شود.
مرحله 6. اگر مایع شما گاز است از همین روش استفاده کنید
هنگام کار بر روی مشکلات شناوری ، فراموش نکنید که مایعی که جسم در آن غوطه ور است نباید مایع باشد. گازها نیز سیال هستند و اگرچه چگالی گازها در مقایسه با سایر مواد بسیار کم است ، اما همچنان می توانند توده های خاصی از اجسام شناور در گاز را پشتیبانی کنند. یک بادکنک ساده هلیومی گواه آن است. چون چگالی گاز بالون نسبت به سیال اطراف (هوای محیط) کمتر است ، بادکنک شناور می شود!
روش 2 از 2: انجام یک آزمایش ساده شناوری
مرحله 1. یک کاسه یا فنجان کوچک را داخل یک کاسه بزرگتر قرار دهید
با برخی وسایل خانه ، مشاهده اصول شناوری در آزمایش آسان است! در این آزمایش ساده ، ما نشان خواهیم داد که یک جسم غوطه ور یک نیروی شناور را تجربه می کند زیرا حجم سیال معادل حجم جسم غوطه ور را جابجا می کند. در حین انجام این کار ، ما همچنین راهی عملی برای یافتن نیروی شناور یک جسم با این آزمایش نشان خواهیم داد. برای شروع ، یک ظرف کوچک و باز مانند یک کاسه یا فنجان را داخل یک ظرف بزرگتر مانند یک کاسه یا سطل بزرگ قرار دهید.
مرحله 2. ظرف کوچک را تا لبه پر کنید
بعد ، ظرف داخلی کوچکتر را با آب پر کنید. شما می خواهید آب بدون ریختن به اندازه ظرف باشد. اینجا مراقب باشید! اگر آب ریختید ، قبل از تلاش مجدد ، ظرف بزرگتر را خالی کنید.
- برای اهداف این آزمایش ، فرض بر این است که چگالی آب 1000 کیلوگرم در متر است3به مگر اینکه از آب دریا یا مایع کاملاً متفاوتی استفاده می کنید ، بیشتر انواع آب تقریباً چگالی یکسانی با این مقدار مرجع دارند ، بنابراین یک تفاوت کوچک نتایج ما را تغییر نمی دهد.
- اگر قطره چشمی دارید ، این می تواند برای بالا بردن سطح آب در یک ظرف کوچک بسیار مفید باشد.
مرحله 3. شیء کوچک را زیر آب قرار دهید
بعد ، به دنبال یک شی کوچک باشید که در یک ظرف کوچک قرار گیرد و در اثر آب آسیب نبیند. جرم این جسم را بر حسب کیلوگرم پیدا کنید (ممکن است بخواهید از ترازو یا ترازویی استفاده کنید که می تواند گرم را گرفته و آنها را به کیلوگرم تبدیل کند). سپس ، بدون اینکه انگشتان خود را خیس کنید ، به آرامی اما مطمئناً جسم را در آب فرو کنید تا شناور شود یا می توانید کمی آن را نگه دارید و سپس رها کنید. متوجه خواهید شد که مقداری از آب موجود در ظرف کوچک به داخل محفظه بیرونی می ریزد.
برای اهداف مثال ما ، فرض کنید ما یک ماشین اسباب بازی با وزن 0.05 کیلوگرم را در یک ظرف کوچک فرو می کنیم. ما برای محاسبه شناور بودن این خودرو نیازی به دانستن حجم آن نداریم زیرا در مرحله بعد این را خواهیم دید
مرحله 4. آب ریخته شده را جمع آوری کرده و بشمارید
وقتی جسمی را در آب فرو می برید ، مقداری از آب را جابجا می کند - در غیر این صورت جایی برای قرار دادن جسم در آب وجود نخواهد داشت. وقتی جسمی آب را به بیرون هل می دهد ، آب به عقب هل داده و نیروی شناوری ایجاد می کند. آب ریخته شده را از یک ظرف کوچک بردارید و آن را در یک فنجان اندازه گیری کوچک بریزید. حجم آب در فنجان اندازه گیری برابر با حجم جسم غوطه ور است.
به عبارت دیگر ، اگر جسم شما شناور باشد ، حجم آب ریخته شده برابر با حجم جسمی است که در زیر سطح آب غوطه ور شده است. اگر جسم شما غرق شود ، حجم آب بیرون ریخته شده برابر با حجم کل جسم است
مرحله 5. جرم آب ریخته شده را محاسبه کنید
از آنجا که چگالی آب را می دانید و می توانید حجم آبی که در لیوان اندازه گیری ریخته می شود را اندازه گیری کنید ، می توانید جرم آن را پیدا کنید. فقط صدا را به متر تغییر دهید3 (کمکهای تبدیل آنلاین ، مانند این ، می تواند کمک کند) و در چگالی آب (1000 کیلوگرم در متر) ضرب شود3).
در مثال ما ، فرض کنید ماشین اسباب بازی ما در یک ظرف کوچک فرو رفته و حدود دو قاشق غذاخوری (0.0003 متر) حرکت می کند3) برای یافتن جرم آب خود ، آن را در چگالی آن ضرب می کنیم: 1000 کیلوگرم/متر3 000 0.0003 متر3 = 0.03 کیلوگرم.
مرحله 6. جرم آب ریخته شده را با جرم جسم مقایسه کنید
حالا که می دانید جرم جسمی که در آب فرو می برید و جرم آبی که ریخته است ، آنها را مقایسه کنید تا ببینید کدام جرم بزرگتر است. اگر جرم یک جسم غوطه ور در یک ظرف کوچک بیشتر از آب ریخته شده باشد ، جسم فرو می رود. از طرف دیگر ، اگر جرم آب ریخته شده بیشتر باشد ، جسم شناور می شود. این اصل شناوری در آزمایش است - برای اینکه جسمی شناور باشد ، باید مقداری آب با جرم بیشتر از جرم خود جسم را جابجا کند.
- بنابراین ، اجسامی با جرم کم اما حجم زیاد انواع اجسامی هستند که به راحتی شناور می شوند. این ویژگی به این معنی است که اجسام توخالی به راحتی شناور می شوند. یک قایق رانی را تصور کنید - قایق به خوبی شناور است زیرا در داخل آن خالی است ، بنابراین می تواند مقدار زیادی آب را بدون نیاز به جرم زیاد جابجا کند. اگر قایق توخالی (جامد) نباشد ، قایق به درستی شناور نمی شود.
- در مثال ما ، جرم خودرو (0.05 کیلوگرم) بیشتر از آب ریخته شده (0.03 کیلوگرم) است. این با آنچه مشاهده می کنیم مطابقت دارد: اتومبیل ها غرق می شوند.
