Come calcolare la galleggiabilità: 12 passaggi (con immagini)

Sommario:

Come calcolare la galleggiabilità: 12 passaggi (con immagini)
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Video: Come calcolare il volume della piramide 2024, Marzo
Anonim

La galleggiabilità è la forza che agisce nella direzione opposta alla direzione della gravità che colpisce tutti gli oggetti immersi in un fluido. Quando un oggetto viene posto in un fluido, il suo peso spinge il fluido (liquido o gas), mentre la forza di galleggiamento spinge l'oggetto verso l'alto, agendo contro la gravità. In termini generali, questa forza può essere calcolata con l'equazione FB = VS × P × g, dove FB è la forza di galleggiamento, VS è il volume sommerso, D è la densità del fluido in cui è immerso l'oggetto e g è la forza di gravità. Per sapere come determinare la galleggiabilità dell'oggetto, vedere il passaggio 1 per iniziare.

passi

Metodo 1 di 2: utilizzo dell'equazione della forza di galleggiamento

Calcola la galleggiabilità Passaggio 1
Calcola la galleggiabilità Passaggio 1

Passaggio 1. Trova il volume della parte sommersa dell'oggetto

La forza di galleggiamento che agisce su un oggetto è direttamente proporzionale al volume dell'oggetto sommerso. In altre parole, più l'oggetto è solido, maggiore è la forza di galleggiamento che agisce su di esso. Ciò significa che anche gli oggetti che affondano in un liquido hanno una forza che li spinge verso l'alto. Per iniziare a calcolare questa intensità, il primo passo è determinare il volume dell'oggetto sommerso. Per l'equazione, questo valore deve essere in metri3.

  • Per gli oggetti completamente immersi nel fluido, il volume sommerso è lo stesso dell'oggetto. Per quelli che galleggiano sulla superficie del fluido, viene considerato solo il volume al di sotto della superficie.
  • Ad esempio, supponiamo di voler trovare la forza di galleggiamento che agisce su una palla di gomma che galleggia nell'acqua. Se la palla è una sfera perfetta, di un metro di diametro, e galleggia per metà nell'acqua, possiamo trovare il volume della parte sommersa trovando il volume totale della sfera e dividendo per due. Poiché il volume della sfera è dato da (4/3)π(raggio)3, si sa che avremo un risultato di (4/3)π(0, 5)3 = 0,524 metri3. 0, 524/2 = 0,262 metri3 sommerso.
Calcola la galleggiabilità Passaggio 2
Calcola la galleggiabilità Passaggio 2

Passaggio 2. Trova la densità del tuo fluido

Il passo successivo nel processo di ricerca della forza di galleggiamento è definire la densità (in chilogrammi/metro3) di cui l'oggetto è sommerso. La densità è una misura del peso relativo in volume di un oggetto o di una sostanza. Dati due oggetti di uguale volume, quello con maggiore densità pesa di più. Di norma, maggiore è la densità del fluido, maggiore è la forza di galleggiamento che esercita. Con i fluidi, è generalmente più facile determinare la densità osservando i materiali di riferimento.

  • Nel nostro esempio, la palla galleggia sull'acqua. Consultando una forza accademica, possiamo scoprire che la densità dell'acqua è di circa 1000 chili/metro3.
  • Le densità di altri fluidi comuni sono elencate nelle fonti di ingegneria. Un elenco di questi può essere trovato qui.
Calcola la galleggiabilità Passaggio 3
Calcola la galleggiabilità Passaggio 3

Passaggio 3. Trova la forza di gravità (o un'altra forza verso il basso)

Sia che l'oggetto sia galleggiante o completamente sommerso, è sempre soggetto alla forza di gravità. Nel mondo reale, questa forza costante è uguale a 9, 81 Newton/chilo. Tuttavia, in situazioni in cui un'altra forza, come una centrifuga, agisce su un fluido e sull'oggetto sommerso, è necessario considerare anche la determinazione della forza totale verso il basso.

  • Nel nostro esempio, se abbiamo a che fare con un sistema ordinario e stazionario, possiamo assumere che l'unica forza che agisce verso il basso sia la forza di gravità sopra menzionata.
  • Tuttavia, cosa accadrebbe se la nostra palla galleggiasse in un secchio d'acqua, ruotando a grande velocità in un cerchio orizzontale? In questo caso, supponendo che il secchio ruoti abbastanza velocemente da garantire che sia l'acqua che la palla non cadano, la forza verso il basso in questa situazione deriverebbe dalla forza centrifuga creata dal movimento del secchio, non dalla gravità terrestre.
Calcola la galleggiabilità Passaggio 4
Calcola la galleggiabilità Passaggio 4

Passaggio 4. Moltiplicare volume × densità × gravità

Quando hai valori per il volume del tuo oggetto (in metri 3), la densità del tuo fluido (in chilogrammi/metro3) e la forza di gravità (o la forza verso il basso del tuo sistema), trovare la forza di galleggiamento è facile. Basta moltiplicare queste tre quantità per trovare la forza in newton.

Risolviamo il nostro esempio sostituendo i nostri valori nell'equazione FB = VS × P × g. FB = 0,262 metri3 × 1000 chili/metro3 × 9, 81 newton/chilo = 2570 Newton.

Calcola la galleggiabilità Passaggio 5
Calcola la galleggiabilità Passaggio 5

Passaggio 5. Scopri se il tuo oggetto galleggia confrontandolo con la forza di gravità

Utilizzando l'equazione della forza di galleggiamento, è facile trovare la forza che spinge un oggetto fuori dal fluido in cui è immerso. Tuttavia, con un po' più di lavoro, è anche possibile determinare se l'oggetto galleggerà o affonderà. Trova semplicemente la forza di galleggiamento per l'oggetto (in altre parole, usa il suo intero volume come VS), quindi trovare la forza di gravità con l'equazione G = (massa dell'oggetto) (9,81 metri/secondo2). Se la forza di galleggiamento è maggiore della gravità, l'oggetto galleggerà. Ma se la forza di gravità è maggiore, affonderà. Se sono uguali, l'oggetto è chiamato "neutro".

  • Ad esempio, supponiamo di voler sapere se una botte di legno cilindrica da 20 chilogrammi con un diametro di 0,75 metri e un'altezza di 1,25 metri galleggerà sull'acqua. Ciò richiede alcuni passaggi:

    • Possiamo trovare il suo volume con la formula V = π(raggio)2(altezza). V = π(0, 375)2(1, 25) = 0,55 metri3.
    • Successivamente, assumendo i valori predefiniti per gravità e densità dell'acqua, possiamo determinare la forza di galleggiamento sulla canna. 0,55 metri3 × 1000 chili/metro3 × 9, 81 newton/chilo = 5395, 5 Newton.
    • Ora dobbiamo trovare la forza di gravità sulla canna. G = (20 kg) (9,81 metri/secondo2) = 196, 2 Newton. È molto inferiore alla forza di galleggiamento, quindi la canna galleggerà.
Calcola la galleggiabilità Passaggio 6
Calcola la galleggiabilità Passaggio 6

Passaggio 6. Utilizzare la stessa tecnica quando il fluido è un gas

Quando si risolvono problemi di tipo, non dimenticare che il fluido non deve essere un liquido. Anche i gas sono considerati fluidi e, pur avendo densità inferiori rispetto ad altri tipi di materia, possono comunque sostenere il peso di alcuni oggetti. Un semplice pallone ad elio ne è la prova. Poiché il gas del pallone è meno denso del fluido circostante, galleggia!

Metodo 2 di 2: Esecuzione di un semplice esperimento di galleggiabilità

Calcola la galleggiabilità Passaggio 7
Calcola la galleggiabilità Passaggio 7

Passaggio 1. Metti una piccola tazza o una ciotola in un contenitore più grande

Con pochi oggetti da casa, è facile vedere i principi di galleggiabilità in azione! In questo semplice esperimento, dimostreremo che un oggetto sommerso subisce una spinta perché sposta un volume di fluido pari al volume dell'oggetto sommerso. Mentre lo facciamo, dimostriamo anche come trovare la forza di galleggiamento di un esperimento. Per iniziare, metti un piccolo contenitore, come una ciotola o una tazza, all'interno di un contenitore più grande, come una ciotola o un secchio più grande.

Calcola il galleggiamento Passaggio 8
Calcola il galleggiamento Passaggio 8

Passaggio 2. Riempi il contenitore dall'interno fino all'orlo

Quindi riempire il contenitore più grande con acqua. Vuoi che il livello dell'acqua raggiunga il bordo senza ribaltarsi. Stai attento! Se l'acqua fuoriesce, svuota il contenitore più grande prima di riprovare.

  • Per questo esperimento, è lecito ritenere che l'acqua abbia la densità dell'acqua ha il valore predefinito di 1000 kg/metro3. A meno che non si utilizzi acqua salata o un liquido diverso, la maggior parte dei tipi di acqua ha una densità vicina al valore di riferimento.
  • Se hai un contagocce, può essere molto utile controllare il livello dell'acqua nel contenitore interno.
Calcola il galleggiamento Passaggio 9
Calcola il galleggiamento Passaggio 9

Passaggio 3. Immergi un piccolo oggetto

Ora trova un piccolo oggetto che si adatti all'interno del contenitore interno e non venga danneggiato dall'acqua. Trova la massa di questo oggetto in chilogrammi (usa una scala per questo). Quindi, senza bagnarti le dita, immergi l'oggetto nell'acqua finché non inizia a galleggiare o non puoi più tenerlo. Dovresti notare che l'acqua dal contenitore interno si riversa nel contenitore esterno.

Ai fini del nostro esempio, supponiamo di mettere una macchinina di massa di 0,05 kg nel contenitore interno. Non abbiamo bisogno di conoscere il volume dell'auto per calcolare la spinta, come vedremo in seguito

Calcola il galleggiamento Passaggio 10
Calcola il galleggiamento Passaggio 10

Passaggio 4. Raccogliere e misurare l'acqua versata

Quando si immerge un oggetto in acqua, si verifica uno spostamento d'acqua; se così non fosse, non ci sarebbe spazio per lui per entrare in acqua. Quando spinge il liquido, l'acqua spinge indietro, causando la galleggiabilità. Prendi l'acqua versata e mettila in un misurino. Il volume dell'acqua deve essere uguale al volume sommerso.

In altre parole, se il tuo oggetto galleggia, il volume d'acqua che hai versato sarà uguale al volume dell'oggetto immerso nell'acqua. Se il tuo oggetto affonda, il volume di acqua che versa è uguale al volume dell'intero oggetto

Calcola la galleggiabilità Passaggio 11
Calcola la galleggiabilità Passaggio 11

Passaggio 5. Calcolare il peso dell'acqua versata

Poiché conosci la densità dell'acqua e puoi misurare il volume che è stato versato, puoi trovare la massa. Converti semplicemente il volume in metri3 (può essere utile uno strumento di conversione online come questo) e moltiplicarlo per la densità dell'acqua (1000 kg/metro3).

Nel nostro esempio, diciamo che il nostro carrello è affondato e si è spostato di circa due cucchiai (0, 00003 metri)3). Per trovare la massa dell'acqua, moltiplichiamo per la sua densità:: 1000 chili/metri3 × 0,0003 metri3 = 0,03 chili.

Calcolo dell'assetto Passaggio 12
Calcolo dell'assetto Passaggio 12

Passaggio 6. Confronta il volume spostato con la massa dell'oggetto

Ora che conosci la massa sommersa e la massa spostata, confrontale per vedere quale è più grande. Se la massa dell'oggetto sommerso nel vaso interno è maggiore della massa d'acqua spostata, deve essere affondato. Ma se la massa d'acqua spostata è maggiore di quella, l'oggetto deve aver galleggiato. Questo è il principio di galleggiabilità; affinché un oggetto galleggi, deve spostare una massa d'acqua più grande dell'oggetto.

  • Inoltre, gli oggetti con masse più piccole ma volumi più grandi sono gli oggetti che fluttuano di più. Questa proprietà significa che gli oggetti cavi galleggiano. Pensa a una canoa; galleggia perché è cavo, quindi può spostare molta acqua senza bisogno di avere una grande massa. Se le canoe fossero solide, non galleggerebbero bene.
  • Nel nostro esempio, l'auto ha una massa di 0,05 chili, maggiore dell'acqua spostata, 0,03 chili. Questo conferma il nostro risultato: l'auto affonda.

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