De opwaartse kracht is een kracht die tegengesteld is aan de zwaartekracht en die van invloed is op alle objecten die in een vloeistof zijn ondergedompeld. Wanneer een object in een vloeistof wordt geplaatst, drukt de massa van het object tegen de vloeistof (vloeistof of gas), terwijl de opwaartse kracht het object tegen de zwaartekracht in duwt. In algemene termen kan deze opwaartse kracht worden berekend met de vergelijking Feen = Vt × × g, met Feen is de opwaartse kracht, Vt is het volume van het ondergedompelde object, is de dichtheid van de vloeistof en g is de zwaartekracht. Zie stap 1 hieronder om te beginnen om te leren hoe u het drijfvermogen van een object kunt bepalen.
Stap
Methode 1 van 2: De vergelijking van het drijfvermogen gebruiken
Stap 1. Zoek het volume van het ondergedompelde deel van het object
De opwaartse kracht die op een object inwerkt, is evenredig met het volume van het ondergedompelde object. Met andere woorden, hoe groter het ondergedompelde vaste deel van het object, hoe groter de opwaartse kracht die op het object inwerkt. Dit betekent dat objecten die ondergedompeld zijn in een vloeistof, een opwaartse kracht hebben die het object omhoog duwt. Om te beginnen met het berekenen van de opwaartse kracht die op een object inwerkt, is uw eerste stap meestal het bepalen van het volume van het object dat in de vloeistof is ondergedompeld. Voor de vergelijking van het drijfvermogen moet deze waarde in meters zijn3.
- Voor een object dat volledig in een vloeistof is ondergedompeld, is het ondergedompelde volume gelijk aan het volume van het object zelf. Voor objecten die boven het vloeistofoppervlak drijven, wordt alleen het volume onder het oppervlak berekend.
- Stel dat we bijvoorbeeld de opwaartse kracht willen vinden die werkt op een rubberen bal die op water drijft. Als de rubberen bal een perfecte bol is met een diameter van 1 m en drijft met de helft ervan onder water, kunnen we het volume van het ondergedompelde deel vinden door het totale volume van de bol te vinden en door twee te delen. Aangezien het volume van de bol (4/3) (straal) is3, weten we dat het volume van onze bol (4/3)π(0, 5) is3 = 0,524 meter3. 0, 524/2 = 0,262 meter3 wasbak.
Stap 2. Zoek de dichtheid van uw vloeistof
De volgende stap bij het vinden van het drijfvermogen is het definiëren van de dichtheid (in kilogram/meter.)3) van de vloeistof waarin het object is ondergedompeld. Dichtheid is een meting van de massa van een object of substantie ten opzichte van het volume. Als twee objecten met hetzelfde volume worden gegeven, zal het object met de grotere dichtheid meer massa hebben. Volgens de regel, hoe groter de dichtheid van de vloeistof waarin het object is ondergedompeld, hoe groter de opwaartse kracht. Bij vloeistoffen is de eenvoudigste manier om de dichtheid te bepalen, meestal door deze op te zoeken in een referentiemateriaal.
- In ons voorbeeld drijft onze bal in water. Door naar academische bronnen te kijken, kunnen we vinden dat water een dichtheid heeft van ongeveer. 1.000 kilogram/meter3.
- Andere veelgebruikte vloeistofdichtheden worden vermeld in technische bronnen. Een van de lijsten vind je hier.
Stap 3. Zoek de zwaartekracht (of een andere neerwaartse kracht)
Of een voorwerp nu zinkt of drijft in een vloeistof, het heeft altijd een zwaartekracht. In de echte wereld is de neerwaartse krachtconstante gelijk aan 9,81 Newton/kg. In situaties waarin andere krachten, zoals de middelpuntvliedende kracht, op de vloeistof en het daarin ondergedompelde object inwerken, moet echter ook met deze kracht rekening worden gehouden om de netto neerwaartse kracht voor het hele systeem te bepalen.
- In ons voorbeeld werken we met een gewoon, statisch systeem, dus we kunnen aannemen dat de enige neerwaartse kracht die op vloeistoffen en objecten inwerkt de algemene zwaartekracht is - 9,81 Newton/kg.
- Maar wat als onze bal, die in een emmer water drijft, met hoge snelheid in een cirkel in horizontale richting wordt gezwaaid? In dit geval, ervan uitgaande dat de emmer snel genoeg wordt gezwaaid zodat het water en de bal niet morsen, zal de neerwaartse kracht in deze situatie worden afgeleid van de middelpuntvliedende kracht die wordt gecreëerd door de zwaai van de emmer, niet van de zwaartekracht van de aarde.
Stap 4. Vermenigvuldig volume × dichtheid × zwaartekracht
Als u de volumewaarde van uw object (in meters)3), de dichtheid van uw vloeistof (in kilogram/meter3), en de zwaartekracht (de neerwaartse kracht op uw systeem), dus het vinden van drijfvermogen is heel eenvoudig. Vermenigvuldig deze drie waarden gewoon om de opwaartse kracht in Newton te vinden.
Laten we ons voorbeeldprobleem oplossen door onze waarden in te vullen in de vergelijking Feen = Vt × × g. Feen = 0,262 meter3 × 1.000 kilogram/meter3 × 9,81 newton/kg = 2.570 Newton.
Stap 5. Kijk of je object drijft door het drijfvermogen te vergelijken met de zwaartekracht
Met behulp van de drijfvermogenvergelijking is het gemakkelijk om de kracht te vinden die een object omhoog en uit de vloeistof duwt. Met een beetje extra inspanning is het echter ook mogelijk om te bepalen of een object zal drijven of zinken. Vind gewoon de opwaartse kracht voor het hele object (met andere woorden, gebruik het hele volume voor de waarde van Vt), vind dan de zwaartekracht die het naar beneden duwt met de vergelijking G = (massa van het object) (9,81 meter/seconde2). Als de opwaartse kracht groter is dan de zwaartekracht, zal het object drijven. Aan de andere kant, als de zwaartekracht groter is dan de opwaartse kracht, zal het object zinken. Als de magnitudes hetzelfde zijn, wordt gezegd dat het object zweeft.
-
Stel dat we willen weten of een houten cilindervormig vat met een massa van 20 kilogram en een diameter van 0,75 m en een hoogte van 1,25 m in water zal drijven. Dit probleem zal verschillende stappen gebruiken:
- We kunnen het volume vinden met de formule voor het volume van de cilinder V = (straal)2(lang). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 meter3.
- Vervolgens, ervan uitgaande dat de grootte van de zwaartekracht gewoon is en die van water met een normale dichtheid, kunnen we de opwaartse kracht van het vat vinden. 0,55 meter3 × 1000 kilogram/meter3 × 9,81 newton/kg = 5.395, 5 Newton.
- Nu moeten we de zwaartekracht van het vat vinden. G = (20 kg) (9,81 meter/seconde2) = 196,2 Newton. Deze kracht is kleiner dan de opwaartse kracht, dus het vat zal drijven.
Stap 6. Gebruik dezelfde aanpak als uw vloeistof een gas is
Vergeet bij het werken aan problemen met het drijfvermogen niet dat de vloeistof waarin het object is ondergedompeld geen vloeistof hoeft te zijn. Gassen zijn ook vloeistoffen, en hoewel gassen een zeer lage dichtheid hebben in vergelijking met andere stoffen, kunnen ze nog steeds bepaalde massa's objecten ondersteunen die in het gas drijven. Een simpele heliumballon is daar het bewijs van. Omdat het gas in de ballon minder dicht is dan de omringende vloeistof (omgevingslucht), blijft de ballon drijven!
Methode 2 van 2: Een eenvoudig drijfvermogenexperiment uitvoeren
Stap 1. Plaats een kleine kom of kop in een grotere kom
Met sommige huishoudelijke artikelen is het gemakkelijk om de principes van drijfvermogen in experiment te zien! In dit eenvoudige experiment zullen we aantonen dat een ondergedompeld object een opwaartse kracht ervaart omdat het een vloeistofvolume verplaatst dat gelijk is aan het volume van het ondergedompelde object. Terwijl we dit doen, zullen we met dit experiment ook een praktische manier demonstreren om de opwaartse kracht van een object te vinden. Plaats om te beginnen een kleine, open bak, zoals een kom of kopje, in een grotere bak, zoals een grote kom of emmer.
Stap 2. Vul de kleine container tot de rand
Vul vervolgens de kleinere binnencontainer met water. U wilt dat het water zo hoog is als de container zonder te morsen. Wees hier voorzichtig! Als u water morst, leeg dan de grotere container voordat u het opnieuw probeert.
- Voor de doeleinden van dit experiment is het oké om aan te nemen dat water een algemene dichtheid heeft van 1000 kilogram/meter3. Tenzij u zeewater of een geheel andere vloeistof gebruikt, hebben de meeste soorten water bijna dezelfde dichtheid als deze referentiewaarde, dus een klein verschil verandert onze resultaten niet.
- Als u oogdruppels heeft, kan dit erg handig zijn om het waterpeil in een klein bakje te verhogen.
Stap 3. Dompel het kleine object onder
Zoek vervolgens naar een klein voorwerp dat in een kleine container past en niet door water wordt beschadigd. Zoek de massa van dit object in kilogram (misschien wilt u een weegschaal of balans gebruiken die grammen kan opnemen en deze omrekenen naar kilogram). Dan, zonder je vingers nat te maken, dompel je het object langzaam maar zeker in het water totdat het begint te drijven of je kunt het een beetje vasthouden en dan loslaten. U zult merken dat een deel van het water in de kleine container in de buitenste container terechtkomt.
Stel dat we voor de doeleinden van ons voorbeeld een speelgoedauto met een massa van 0,05 kilogram in een kleine container dopen. We hoeven het volume van deze auto niet te weten om het drijfvermogen te berekenen, want dat zullen we in de volgende stap zien
Stap 4. Verzamel en tel het gemorste water
Wanneer je een object in water onderdompelt, verplaatst het een deel van het water - anders is er geen plaats om het object in het water te plaatsen. Wanneer een object het water naar buiten duwt, duwt het water terug, waardoor een drijvende kracht ontstaat. Neem het gemorste water uit een kleine container en giet het in een kleine maatbeker. Het volume water in de maatbeker is gelijk aan het volume van het ondergedompelde object.
Met andere woorden, als uw object drijft, is het volume water dat eruit stroomt gelijk aan het volume van het object dat onder het wateroppervlak is ondergedompeld. Als uw object zinkt, is het volume water dat eruit stroomt gelijk aan het totale volume van het object
Stap 5. Bereken de massa van het gemorste water
Omdat je de dichtheid van water kent en je de hoeveelheid water kunt meten die in de maatbeker wordt gemorst, kun je de massa ervan vinden. Verander gewoon het volume in meters3 (online conversiehulpmiddelen, zoals deze, kunnen helpen) en vermenigvuldigen met de dichtheid van water (1.000 kilogram/meter3).
Stel in ons voorbeeld dat onze speelgoedauto zinkt in een kleine container en ongeveer twee eetlepels beweegt (0,0003 meter.).3). Om de massa van ons water te vinden, vermenigvuldigen we deze met de dichtheid: 1.000 kilogram/meter3 × 0,0003 meter3 = 0,03 kilogram.
Stap 6. Vergelijk de massa van het gemorste water met de massa van het object
Nu je de massa kent van het object dat je onderdompelt in het water en de massa van het water dat is gemorst, kun je ze vergelijken om te zien welke massa groter is. Als de massa van een object ondergedompeld in een kleine container groter is dan het gemorste water, zal het object zinken. Aan de andere kant, als de massa van het gemorste water groter is, zal het object drijven. Dit is het principe van drijfvermogen in het experiment - om een object te laten drijven, moet het een hoeveelheid water verplaatsen met een massa die groter is dan de massa van het object zelf.
- Objecten met een lage massa maar een groot volume zijn dus de soorten objecten die het gemakkelijkst drijven. Deze eigenschap zorgt ervoor dat holle voorwerpen heel gemakkelijk drijven. Stel je een kano voor - de kano drijft goed omdat hij van binnen hol is, dus hij kan veel water verplaatsen zonder een grote massa te hebben. Als de kano niet hol (massief) is, zal de kano niet goed drijven.
- In ons voorbeeld heeft de auto een grotere massa (0,05 kilogram) dan het gemorste water (0,03 kilogram). Dit komt overeen met wat we waarnemen: de auto's zinken.
