Hoe drijfvermogen te berekenen

Drijfvermogen is de kracht die in de tegenovergestelde richting van de zwaartekracht werkt en die alle objecten beïnvloedt die in een vloeistof zijn ondergedompeld. Wanneer een voorwerp in een vloeistof wordt geplaatst, duwt het gewicht van het voorwerp het fluïdum (vloeistof of gas) naar beneden terwijl het drijfvermogen het voorwerp naar boven duwt, werkend tegen de zwaartekracht in. In algemene termen kan dit drijfvermogen worden berekend met de vergelijking
F_b

Inhoud

Stappen

Methode 1gebruik de drijfvergelijking
Methode 2voer een eenvoudig drijfvermogensexperiment uit

Tips
Dingen die je nodig hebt

= V_s x D x g, waar F_b het is drijfvermogen, V_s is het volume van het ondergedompelde deel van het object, D is de dichtheid van het fluïdum waarin het object is ondergedompeld en g is de zwaartekracht. Lees stap 1 hieronder om te leren hoe u het drijfvermogen van een object kunt bepalen.

stappen

Methode 1
Gebruik de drijfvergelijking

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 1

Zoek het volume van het ondergedompelde deel van het object. Het drijfvermogen dat op een voorwerp inwerkt, is rechtevenredig met het volume van het deel van het object dat is ondergedompeld. Met andere woorden, zolang een groter deel van een solide object wordt ondergedompeld, zal het drijfvermogen dat erop zal werken groter zijn. Dit betekent dat zelfs voorwerpen die in een vloeistof zinken, een drijfvermogen hebben dat ze omhoog duwt. Om te beginnen met het berekenen van het drijfvermogen dat op een object inwerkt, moet uw eerste stap over het algemeen zijn om het volume van het object dat ondergedompeld is in de vloeistof te bepalen. Voor de drijfvermogenvergelijking moet deze waarde in m zijn.

Voor objecten die volledig zijn ondergedompeld in de vloeistof, zal het ondergedompelde volume gelijk zijn aan het volume van elk object. Voor objecten die op het oppervlak van een vloeistof drijven, wordt alleen het volume van het onderdeel onder het oppervlak van de vloeistof beschouwd.
Stel dat we bijvoorbeeld willen dat het drijfvermogen inwerkt op een rubberen bal die in het water drijft. Als de bal een perfecte bol is met een diameter van 1 meter en dobbers onder water precies halverwege zijn ondergedompeld, kunnen we het volume van het ondergedompelde gedeelte vinden door het volume van de hele bal te vinden en deze door twee te delen. Omdat het volume van een bol (4/3) π (straal) is, weten we dat het volume van onze bal (4/3) π (0,5) = 0,524 m is. 0,524 / 2 = 0.262 m ondergedompeld.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 2

Zoek de dichtheid van de vloeistof. De volgende stap in het proces van het vinden van drijfvermogen is het definiëren van de dichtheid (in kg / m) van de vloeistof waarin het object is ondergedompeld. Dichtheid is een maat voor het gewicht van een object of substantie in verhouding tot het volume. Gegeven twee objecten met hetzelfde volume, zal het object met de hoogste dichtheid meer wegen. Als algemene regel geldt dat hoe groter de dichtheid van het fluïdum waarin een object is ondergedompeld, hoe groter het drijfvermogen. Bij vloeistoffen is het meestal eenvoudiger om de dichtheid te bepalen door alleen naar referentiematerialen te kijken.

In ons voorbeeld zweeft de bal in water. Als we een academische bron raadplegen, kunnen we vaststellen dat het water een dichtheid van ongeveer heeft 1000 kg / m.

De dichtheden van veel andere gebruikelijke vloeistoffen zijn vervat in technische hulpmiddelen. Een van deze lijsten is te vinden hier.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 3

Zoek de zwaartekracht (of een andere kracht die werkt). Of een voorwerp nu zinkt of drijft in de vloeistof waarin het is ondergedompeld, het is altijd onderhevig aan de zwaartekracht. In de echte wereld is deze constante neerwaartse kracht gelijk aan ongeveer 9.81 Newton / kg. In situaties waarin een andere kracht, zoals de centrifuge, echter werkt op het fluïdum en het object dat erin is ondergedompeld, moet dit ook in aanmerking worden genomen om de kracht te bepalen die naar beneden werkt voor het gehele systeem.

In ons voorbeeld, als we een gewoon en stationair systeem hanteren, kunnen we aannemen dat de enige kracht die op de vloeistof en het object inwerkt de standaardkracht van de zwaartekracht is, 9.81 Newton / kg.

Wat zou er echter gebeuren als de bal dobberde in een emmer water die met hoge snelheid in een horizontale cirkel zwaaide? In dit geval, ervan uitgaande dat de bak snel genoeg zwaait om ervoor te zorgen dat zowel het water als de bal niet vallen, zou de in deze situatie optredende kracht het gevolg zijn van de middelpuntvliedende kracht die de bak creëert bij het slingeren, niet van de zwaartekracht van de aarde.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 4

Vermenigvuldig het volume x de dichtheid x de zwaartekracht. Wanneer u waarden hebt voor het volume van het object (in m), de dichtheid van de vloeistof (in kg / m) en de zwaartekracht (of de kracht die in uw systeem werkt), is het vinden van drijfvermogen eenvoudig. Vermenigvuldig deze drie hoeveelheden om drijfvermogen te vinden in Newton.

Laten we ons voorbeeldprobleem oplossen door onze waarden in de vergelijking F in te voeren_b = V_s x D x g.
F_b = 0,262 m x 1000 kg / m x 9,81 newton / kg = 2,570 Newton.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 5

Zoek of het object drijft door het te vergelijken met de zwaartekracht. Met behulp van de drijfvermogenvergelijking is het gemakkelijk om de kracht te vinden die een voorwerp op en uit de vloeistof duwt waarin het is ondergedompeld. Met een beetje extra werk is het echter ook mogelijk om te bepalen of het object zal zweven of zinken. Zoek eenvoudig het drijfvermogen voor het hele object (met andere woorden, gebruik het hele volume als de waarde van V_s) en zoek dan de zwaartekracht die hem naar beneden duwt met de vergelijking G = (gewicht van het voorwerp) (9,81 meter / seconde). Als het drijfvermogen groter is dan de zwaartekracht, zweeft het object. Aan de andere kant, als de zwaartekracht groter is, zal deze zinken. Als ze gelijk zijn, wordt er gezegd dat het object is neutraal zwevend.

Laten we bijvoorbeeld zeggen dat we willen weten of een cilindrisch houten vat van 20 kg met een diameter van 0,75 meter en een hoogte van 1,25 meter in het water zal drijven. Dit zal verschillende stappen vereisen:

We kunnen het volume vinden met de formule voor het volume van een cilinder V = π (radius) (hoogte):
V = π (0.375) (1.25) = 0,55 m.

Dan, uitgaande van een gewone zwaartekracht en water met een gewone dichtheid, kunnen we het drijfvermogen op het vat zien werken:
0,55 mx 1000 kg / m x 9,81 newton / kg = 5395.5 Newton.

Nu moeten we de zwaartekracht vinden die op het vat inwerkt:
G = (20 kg) (9,81 meter / seconde) = 196.2 newton. Dit is veel minder dan het drijfvermogen, dus de loop zweeft.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 6

Gebruik dezelfde aanpak als de vloeistof een gas is. Bij het maken van problemen met het drijfvermogen, vergeet niet dat de vloeistof waarin het object is ondergedompeld, niet noodzakelijk een vloeistof hoeft te zijn. Gassen tellen ook als vloeistoffen en hoewel ze zeer lage dichtheden hebben in vergelijking met andere soorten materie, kunnen ze nog steeds het gewicht vasthouden van bepaalde objecten die erin drijven. Een eenvoudige heliumballon is hiervan het bewijs. Omdat het gas in de ballon minder dicht is dan de vloeistof eromheen (de gewone lucht), zweeft de ballon!

Methode 2
Voer een eenvoudig drijfvermogensexperiment uit

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 7

Plaats een kleine kom of kopje in een grotere. Met een paar huishoudelijke artikelen, is het gemakkelijk om de principes van het drijfvermogen in actie te observeren! In dit eenvoudige experiment zullen we aantonen dat een ondergedompeld object drijfvermogen ervaart omdat het een volume vloeistof verdringt dat gelijk is aan het volume van het ondergedompelde object. Door dit te doen, zullen we ook demonstreren hoe we objectief het drijfvermogen van een object kunnen vinden met behulp van dit experiment. Plaats om te beginnen een kleine open container, zoals een kom of kopje, in een grotere container, zoals een grote kom of emmer.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 8

Vul de binnencontainer tot aan de rand. Vul de kleine container met water. Het waterniveau moet het hoogste deel van de container bereiken zonder te morsen. Wees voorzichtig in dit deel! Als u wat water morst, leegt u de grotere container voordat u het opnieuw probeert.

Voor de doeleinden van dit experiment kunnen we aannemen dat het water een standaarddichtheid van 1000 kg / m heeft. Tenzij u zout water of een geheel andere vloeistof gebruikt, zullen de meeste soorten water dicht genoeg bij deze referentiewaarde liggen, zodat elk klein verschil de resultaten niet zal beïnvloeden.

Als u een druppelaar bij de hand heeft, kan dit erg handig zijn om het water in de binnencontainer precies op elkaar af te stemmen.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 9

Doop een klein voorwerp. Zoek na de vorige stap een klein voorwerp dat de binnencontainer kan binnendringen en niet door water wordt beschadigd. Zoek het gewicht van dit object in kilogram (mogelijk moet u een weegschaal gebruiken die u het gewicht in gram kan geven en deze in kilogrammen omzet). Laat vervolgens, zonder uw vingers nat te laten worden, het object langzaam en ononderbroken in het water dompelen totdat het begint te zweven of totdat u het nauwelijks kunt vasthouden en laat het dan los. Houd er rekening mee dat een deel van het water in de binnencontainer over de rand op de buitencontainer morst.

Laten we voor het doel van dit voorbeeld zeggen dat we een speelgoedauto met een gewicht van 0,05 kg in de binnencontainer onderdompelen. We hoeven het volume van deze auto niet te kennen om het drijfvermogen te berekenen, zoals we in de volgende stap zullen zien.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 10

Verzamel en meet het water dat is gemorst. Wanneer u een object in water onderdompelt, verplaatst het een deel van het water - als dit niet het geval was, zou er geen ruimte meer zijn om het water in te gaan. Wanneer het voorwerp dit water uit de weg duwt, duwt het water het terug, wat resulteert in drijfvermogen. Neem het water dat uit de binnencontainer is gemorst en giet het in een kleine glazen maatbeker. Het volume water in de beker moet gelijk zijn aan het volume van het ondergedompelde voorwerp.

Met andere woorden, als het object drijft, is het volume van het gemorste water gelijk aan het volume van het deel van het object dat onder het wateroppervlak is ondergedompeld. Als het object zakt, is het volume van het gemorste water gelijk aan het volume van het hele object.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 11

Bereken het gewicht van het gemorste water. Nu je de dichtheid van het water kent en je het volume water kunt meten dat in de maatbeker is gemorst, kun je het gewicht ervan vinden. Converteer het volume eenvoudig naar kubieke meters (een online conversietool, zoals deze, het kan nuttig zijn in dit deel) en het vermenigvuldigen met de dichtheid van het water (1000 kg / m).

Laten we in ons voorbeeld zeggen dat de speelgoedauto in de binnencontainer zakte en ongeveer twee eetlepels (0,00003 m) water verdreef. Om het gewicht van het water te bepalen, vermenigvuldigen we dit met zijn dichtheid: 1000 kg / m x 0,00003 m = 0,03 kg.

Titel afbeelding Calculate Buoyancy Step 12

Vergelijk het gewicht van het verplaatste water met dat van het object. Nu je het gewicht kent van zowel het object dat je in het water hebt ondergedompeld als het water dat het verplaatst, vergelijk het dan om te zien welke groter is. Als het gewicht van het object dat ondergedompeld is in de binnencontainer groter is dan dat van het verplaatste water, moet het object zinken. Aan de andere kant, als het gewicht van het verplaatste water groter is, moet het object zweven. Dit is het principe van het drijfvermogen in actie: om een object te laten zweven, moet het een hoeveelheid water verplaatsen met een gewicht dat groter is dan dat van het object zelf.

Daarom zijn objecten met een laag gewicht maar een hoog volume de meest zwevende objecten. Deze eigenschap betekent dat de holle objecten bijzonder zwevend zijn. Denk aan een kano: hij drijft heel goed omdat hij van binnen hol is, dus hij kan veel water verplaatsen zonder een erg hoog gewicht te hebben. Als de kano`s solide waren, zweefden ze niet zo goed.

In ons voorbeeld heeft de auto een groter gewicht (0,05 kg) dan het water dat hij verplaatste (0,03 kg). Dit is in overeenstemming met wat we hebben waargenomen: de auto zonk.