Vzgonska sila je sila, ki je nasprotna gravitaciji in vpliva na vse predmete, potopljene v tekočino. Ko je predmet postavljen v tekočino, masa predmeta pritisne na tekočino (tekočino ali plin), medtem ko vzgonska sila potisne predmet proti gravitaciji. Na splošno lahko to vzgonsko silo izračunamo z enačbo F.a = Vt × × g, s F.a je vzgonska sila, Vt je prostornina potopljenega predmeta, je gostota tekočine in g je gravitacijska sila. Če želite izvedeti, kako določiti vzgon objekta, za začetek glejte 1. korak spodaj.
Korak
Metoda 1 od 2: Uporaba enačbe vzgona
Korak 1. Poiščite prostornino potopljenega dela predmeta
Vzgonska sila, ki deluje na predmet, je sorazmerna s prostornino potopljenega predmeta. Z drugimi besedami, večji je potopljeni trden del predmeta, večja je vzgonska sila, ki deluje na predmet. To pomeni, da imajo predmeti, ki so potopljeni v tekočino, vzgonsko silo, ki potiska predmet navzgor. Za začetek izračunavanja vzgonske sile, ki deluje na predmet, je prvi korak običajno določiti prostornino predmeta, potopljenega v tekočino. Za enačbo vzgona mora biti ta vrednost v metrih3.
- Za predmet, ki je popolnoma potopljen v tekočino, je prostornina potopljena enaka prostornini samega predmeta. Za predmete, ki plavajo nad površino tekočine, se izračuna le prostornina pod površino.
- Recimo, da želimo najti vzgonsko silo, ki deluje na gumijasto kroglo, ki plava po vodi. Če je gumijasta krogla popolna krogla s premerom 1 m in plava s polovico potopljene pod vodo, lahko ugotovimo prostornino potopljenega dela tako, da ugotovimo celotno prostornino krogle in jo razdelimo na dva. Ker je prostornina krogle (4/3) (polmer)3, vemo, da je prostornina naše krogle (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metra3. 0, 524/2 = 0,262 metra3 umivalnik.
Korak 2. Poiščite gostoto tekočine
Naslednji korak v procesu ugotavljanja vzgona je opredelitev gostote (v kilogramih/meter)3) tekočine, v katero je predmet potopljen. Gostota je merjenje mase predmeta ali snovi glede na njegovo prostornino. Če dobimo dva predmeta z enako prostornino, bo imel predmet z večjo gostoto večjo maso. Po pravilu je večja kot je gostota tekočine, v kateri je predmet potopljen, večja je vzgonska sila. Pri tekočinah je navadno najlažji način določanja gostote preprosto iskanje v referenčnem materialu.
- V našem primeru naša žoga plava v vodi. Če pogledamo akademske vire, lahko ugotovimo, da ima voda gostoto pribl. 1.000 kilogramov/meter3.
- Druge gosto uporabljene tekočine so navedene v inženirskih virih. Enega od seznamov najdete tukaj.
Korak 3. Poiščite silo teže (ali kakšno drugo silo navzdol)
Ne glede na to, ali predmet potone ali plava v tekočini, ima vedno gravitacijsko silo. V resničnem svetu je sila navzdol konstanta enaka 9,81 newtona/kilogram. Vendar pa je treba v situacijah, ko na tekočino in predmet, potopljen vanjo, delovati druge sile, na primer centrifugalna sila, upoštevati tudi to silo, da se določi neto sila navzdol za celoten sistem.
- V našem primeru delamo z navadnim, statičnim sistemom, zato lahko domnevamo, da je edina sila navzdol, ki deluje na tekočine in predmete, splošna gravitacijska sila - 9,81 newtona/kilogram.
- Kaj pa, če našo kroglo, ki plava v vedru vode, z veliko hitrostjo zavrtimo v krogu v vodoravni smeri? V tem primeru, ob predpostavki, da se vedro zamahne dovolj hitro, da se voda in krogla ne razlijeta, bo sila navzdol v tem primeru izhajala iz centrifugalne sile, ki jo ustvari nihanje vedra, ne pa iz Zemljine teže.
Korak 4. Pomnožite volumen × gostoto × težo
Če imate glasnost predmeta (v metrih)3), gostoto tekočine (v kilogramih/meter)3) in gravitacijsko silo (sila navzdol na vašem sistemu), zato je iskanje vzgona zelo enostavno. Samo pomnožite te tri vrednosti, da poiščete vzgonsko silo v newtonih.
Rešimo naš primer problema z vključitvijo naših vrednosti v enačbo Fa = Vt × × g. F.a = 0,262 metra3 × 1.000 kilogramov/meter3 × 9,81 newtona/kilogram = 2.570 newtonov.
Korak 5. Preverite, ali vaš predmet plava, tako da primerjate vzgon z gravitacijsko silo
Z enačbo vzgona je enostavno najti silo, ki potiska predmet navzgor in iz tekočine. Vendar pa je z nekaj dodatnega napora mogoče ugotoviti, ali bo predmet plaval ali potonil. Samo poiščite vzgonsko silo za celoten predmet (z drugimi besedami, uporabite celoten volumen za vrednost Vt), nato poiščite gravitacijsko silo, ki jo potiska navzdol z enačbo G = (masa predmeta) (9,81 metra/sekundo2). Če je vzgonska sila večja od gravitacijske sile, bo predmet plaval. Po drugi strani pa bo predmet potonil, če je gravitacijska sila večja od vzgonske sile. Če so velikosti enake, naj bi predmet lebdel.
-
Recimo, da želimo vedeti, ali bo v vodi plaval lesen valjast sod z maso 20 kilogramov in premerom 0,75 m ter višino 1,25 m. Ta težava bo vključevala več korakov:
- Prostornino lahko najdemo s formulo za prostornino valja V = (polmer)2(visok). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metra3.
- Dalje, ob predpostavki, da je gravitacija običajna in da ima voda navadne gostote, lahko najdemo vzgonsko silo cevi. 0,55 metra3 × 1000 kilogramov/meter3 × 9,81 newtona/kilogram = 5.395, 5 njutonov.
- Zdaj moramo najti gravitacijsko silo cevi. G = (20 kg) (9,81 metra/sekundo)2) = 196,2 newtona. Ta sila je manjša od vzgonske sile, zato bo sod plaval.
Korak 6. Uporabite enak pristop, če je vaša tekočina plin
Pri delu s težavami z vzgonom ne pozabite, da ni nujno, da je tekočina, v kateri je predmet potopljen, tekočina. Plini so tudi tekočine in čeprav imajo plini zelo nizko gostoto v primerjavi z drugimi snovmi, lahko še vedno podpirajo določeno maso predmetov, ki plavajo v plinu. Preprost helijev balon je dokaz tega. Ker je plin v balonu manj gost od okoliške tekočine (zunanji zrak), balon plava!
Metoda 2 od 2: Izvajanje preprostega poskusa vzgona
Korak 1. Manjšo skledo ali skodelico postavite v večjo skledo
Pri nekaterih gospodinjskih predmetih je v poskusu enostavno videti načela vzgona! V tem preprostem poskusu bomo pokazali, da potopljeni predmet doživlja vzgonsko silo, ker premakne prostornino tekočine, ki je enaka prostornini potopljenega predmeta. Ko bomo to storili, bomo s tem poskusom pokazali tudi praktičen način iskanja vzgonske sile predmeta. Za začetek postavite majhno, odprto posodo, na primer skledo ali skodelico, v večjo posodo, na primer veliko skledo ali vedro.
Korak 2. Napolnite majhno posodo do roba
Nato napolnite manjšo notranjo posodo z vodo. Želite, da je voda tako visoka kot posoda, ne da bi se razlila. Tukaj bodite previdni! Če razlijete vodo, izpraznite večjo posodo, preden poskusite znova.
- Za namene tega poskusa je v redu domnevati, da ima voda splošno gostoto 1000 kilogramov/meter3. Razen če uporabljate morsko vodo ali popolnoma drugo tekočino, ima večina vrst vode skoraj enako gostoto kot ta referenčna vrednost, zato majhna razlika ne bo spremenila naših rezultatov.
- Če imate kapljice za oko, je to lahko zelo koristno za dvig nivoja vode v majhni posodi.
Korak 3. Potopite majhen predmet
Nato poiščite majhen predmet, ki se prilega majhni posodi in ga voda ne poškoduje. Poiščite maso tega predmeta v kilogramih (morda boste želeli uporabiti tehtnico ali tehtnico, ki lahko vzame grame in jih pretvori v kilograme). Nato počasi, a zanesljivo potopite predmet v vodo, dokler ne začne plavati, ali pa ga rahlo držite in nato spustite. Opazili boste, da se bo nekaj vode v majhni posodi razlilo v zunanjo posodo.
Za namene našega primera predpostavimo, da v majhno posodo potopimo avtomobil z maso 0,05 kilograma. Za izračun njegove plovnosti nam ni treba poznati prostornine tega avtomobila, ker bomo to videli v naslednjem koraku
Korak 4. Zberite in preštejte razlito vodo
Ko potopite predmet v vodo, ta izpodrine nekaj vode - sicer ne bo prostora, da bi predmet postavili v vodo. Ko predmet potisne vodo, se voda potisne nazaj in ustvari vzgonsko silo. Razlito vodo vzemite iz majhne posode in jo nalijte v majhno merilno skodelico. Količina vode v merilni skodelici je enaka prostornini potopljenega predmeta.
Z drugimi besedami, če vaš predmet plava, bo volumen vode, ki se izlije, enak volumnu predmeta, ki je potopljen pod površino vode. Če vaš predmet potone, je količina vode, ki se izlije, enaka celotni prostornini predmeta
Korak 5. Izračunajte maso razlite vode
Ker poznate gostoto vode in lahko izmerite prostornino vode, ki se razlije v merilno posodo, lahko ugotovite njeno maso. Samo spremenite glasnost na meter3 (lahko pomagajo spletni pripomočki za pretvorbo, kot je ta) in pomnožite z gostoto vode (1.000 kilogramov/meter3).
V našem primeru recimo, da se naš avtomobil igračka potopi v majhno posodo in se premakne za približno dve žlici (0,0003 metra)3). Če želite ugotoviti maso naše vode, jo bomo pomnožili z gostoto: 1.000 kilogramov/meter3 × 0.0003 metrov3 = 0,03 kilograma.
Korak 6. Primerjajte maso razlite vode z maso predmeta
Zdaj, ko poznate maso predmeta, ki ga potopite v vodo, in maso vode, ki se je razlila, jih primerjajte, da vidite, katera masa je večja. Če je masa predmeta, potopljenega v majhno posodo, večja od razlite vode, bo predmet potonil. Če pa je masa razlite vode večja, bo predmet plaval. To je načelo vzgona v poskusu - da lahko predmet plava, mora izpodriniti količino vode z maso, večjo od mase samega predmeta.
- Tako so predmeti z majhno maso, vendar velike prostornine, vrste predmetov, ki najlažje plavajo. Ta lastnost pomeni, da votli predmeti zelo enostavno plavajo. Predstavljajte si kanu - kanu dobro plava, ker je v notranjosti votel, zato lahko premika veliko vode, ne da bi moral imeti veliko maso. Če kanu ni votel (trden), potem kanu ne bo pravilno plaval.
- V našem primeru ima avto večjo maso (0,05 kilograma) kot razlita voda (0,03 kilograma). To se ujema s tem, kar opazimo: avtomobili potonejo.
