Kelluva voima on painovoimaa vastakkainen voima, joka vaikuttaa kaikkiin nesteeseen upotettuihin esineisiin. Kun esine asetetaan nesteeseen, esineen massa painautuu nestettä (nestettä tai kaasua) vasten, kun taas kelluva voima työntää esineen painovoimaa vasten. Yleisesti ottaen tämä kelluva voima voidaan laskea yhtälöllä Fa = Vt × × g, F: n kanssaa on kelluva voima, V.t on upotetun kohteen tilavuus, nesteen tiheys ja g on painovoima. Jos haluat oppia määrittämään objektin kelluvuuden, aloita vaihe 1 alla.
Vaihe
Menetelmä 1/2: Kelluvuuden yhtälön käyttäminen
Vaihe 1. Etsi objektin upotetun osan tilavuus
Kohteeseen vaikuttava kelluva voima on verrannollinen upotetun kohteen tilavuuteen. Toisin sanoen, mitä suurempi esineen upotettu kiinteä osa on, sitä suurempi kelluva voima vaikuttaa kohteeseen. Tämä tarkoittaa, että nesteeseen upotetuilla esineillä on kelluva voima, joka työntää esineen ylös. Aloittaaksesi esineeseen vaikuttavan kelluvan voiman laskemisen ensimmäinen askel on yleensä määrittää nesteeseen upotetun esineen tilavuus. Kelluvuusyhtälön osalta tämän arvon tulee olla metreinä3.
- Jos esine on kokonaan upotettu nesteeseen, upotettu tilavuus on yhtä suuri kuin kohteen tilavuus. Esineille, jotka kelluvat nesteen pinnan yläpuolella, lasketaan vain pinnan alapuolella oleva tilavuus.
- Oletetaan esimerkiksi, että haluamme löytää kelluvan voiman, joka vaikuttaa veteen kelluvaan kumipalloon. Jos kumipallo on täydellinen pallo, jonka halkaisija on 1 m ja kelluu puolet siitä veden alla, voimme löytää upotetun osan tilavuuden etsimällä pallon kokonaistilavuuden ja jakamalla kahdella. Koska pallon tilavuus on (4/3) (säde)3, tiedämme, että pallomme tilavuus on (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metriä3. 0, 524/2 = 0,262 metriä3 pesuallas.
Vaihe 2. Etsi nesteen tiheys
Seuraava askel kelluvuuden löytämisessä on määrittää tiheys (kilogrammoina/metri3) nesteestä, johon esine on upotettu. Tiheys on kohteen tai aineen massan mittaus suhteessa sen tilavuuteen. Jos annetaan kaksi samaa tilavuutta omaavaa objektia, tiheämmällä esineellä on enemmän massaa. Säännön mukaan mitä suurempi on nesteen tiheys, johon esine on upotettu, sitä suurempi kelluva voima. Nesteiden kanssa yleensä helpoin tapa määrittää tiheys on yksinkertaisesti etsiä se vertailumateriaalista.
- Esimerkissämme pallo kelluu vedessä. Tutkimalla akateemisia lähteitä voimme havaita, että veden tiheys on n. 1000 kiloa/metri3.
- Muut laajalti käytetyt nesteen tiheydet on lueteltu teknisissä lähteissä. Yksi luetteloista löytyy täältä.
Vaihe 3. Etsi painovoima (tai jokin muu alaspäin suuntautuva voima)
Olipa esine uppoaa tai kelluu nesteessä, sillä on aina painovoima. Todellisessa maailmassa alaspäin suuntautuva voimavakio on yhtä suuri kuin 9,81 newtonia/kilogramma. Kuitenkin tilanteissa, joissa muut voimat, kuten keskipakovoima, vaikuttavat nesteeseen ja siihen upotettuun esineeseen, tämä voima on myös otettava huomioon määritettäessä koko järjestelmän alaspäin suuntautuva voima.
- Esimerkissämme työskentelemme tavallisen, staattisen järjestelmän kanssa, joten voimme olettaa, että ainoa nesteisiin ja esineisiin vaikuttava alaspäin suuntautuva voima on yleinen painovoima - 9,81 newtonia/kilogramma.
- Entä jos pallo, joka kelluu vesisäiliössä, heitetään ympyrään vaakasuunnassa suurella nopeudella? Tässä tapauksessa olettaen, että kauhaa heilutetaan riittävän nopeasti, jotta vesi ja pallo eivät läiky, tässä tilanteessa alaspäin suuntautuva voima saadaan kauhan heilunnan aiheuttamasta keskipakovoimasta, ei maapallon painovoimasta.
Vaihe 4. Kerro tilavuus × tiheys × painovoima
Jos sinulla on kohteen tilavuusarvo (metreinä)3), nesteen tiheys (kilogrammoina/metri)3) ja painovoima (järjestelmän alaspäin kohdistuva voima), joten kelluvuuden löytäminen on erittäin helppoa. Kerro vain nämä kolme arvoa löytääksesi kelluvan voiman newtonissa.
Ratkaise esimerkkitehtävämme liittämällä arvomme yhtälöön Fa = Vt × × g. Fa = 0,262 metriä3 × 1000 kiloa/metri3 × 9,81 newtonia/kilogramma = 2 570 newtonia.
Vaihe 5. Tarkista kelluuko esine vertaamalla kelluvuutta painovoimaan
Kelluvuusyhtälön avulla on helppo löytää voima, joka työntää esineen ylös ja ulos nesteestä. Pienellä ylimääräisellä vaivalla on kuitenkin myös mahdollista määrittää, kelluuko tai uppoako esine. Etsi vain koko objektin kelluva voima (toisin sanoen käytä koko tilavuutta V: n arvoont), etsi sitten painovoima, joka painaa sen alas yhtälön G = (kohteen massa) (9,81 metriä/sekunnissa) avulla.2). Jos kelluva voima on suurempi kuin painovoima, esine kelluu. Toisaalta, jos painovoima on suurempi kuin kelluva voima, esine uppoaa. Jos suuruusluokat ovat samat, kohteen sanotaan kelluvan.
-
Oletetaan esimerkiksi, että haluamme tietää, kelluuko vedessä puinen lieriömäinen tynnyri, jonka massa on 20 kilogrammaa ja halkaisija 0,75 metriä ja korkeus 1,25 metriä. Tämä ongelma käyttää useita vaiheita:
- Voimme löytää tilavuuden sylinterin tilavuuden kaavalla V = (säde)2(pitkä). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metriä3.
- Seuraavaksi olettaen, että painovoima on tavallinen ja veden tiheys on tavallinen, voimme löytää tynnyrin kelluvan voiman. 0,55 metriä3 × 1000 kiloa/metri3 × 9,81 newtonia/kilogramma = 5395, 5 newtonia.
- Nyt meidän on löydettävä tynnyrin painovoima. G = (20 kg) (9,81 metriä/sekunti)2) = 196,2 newtonia. Tämä voima on pienempi kuin kelluva voima, joten tynnyri kelluu.
Vaihe 6. Käytä samaa lähestymistapaa, jos nesteesi on kaasua
Kun työskentelet kelluvuusongelmien parissa, älä unohda, että nesteen, johon esine on upotettu, ei tarvitse olla nestettä. Kaasut ovat myös nesteitä, ja vaikka kaasujen tiheys on hyvin alhainen verrattuna muihin aineisiin, ne voivat silti tukea tiettyjä kaasumassa kelluvia esineitä. Yksinkertainen heliumpallo on todiste siitä. Koska ilmapallon kaasu on vähemmän tiheää kuin ympäröivä neste (ympäröivä ilma), pallo kelluu!
Menetelmä 2/2: Yksinkertaisen kelluvuuskokeen suorittaminen
Vaihe 1. Aseta pieni kulho tai kuppi suuremman kulhon sisälle
Joidenkin kotitalousesineiden avulla on helppo nähdä kelluvuuden periaatteet kokeessa! Tässä yksinkertaisessa kokeessa osoitamme, että vedenalainen kohde kokee kelluvan voiman, koska se syrjäyttää nesteen tilavuuden, joka on yhtä suuri kuin upotetun kohteen tilavuus. Tässä kokeessa osoitamme myös käytännön tavan löytää esineen kelluva voima tällä kokeella. Aloita asettamalla pieni, avoin astia, kuten kulho tai kuppi, suuremman astian, kuten suuren kulhon tai kauhan, sisään.
Vaihe 2. Täytä pieni astia reunaan asti
Täytä sitten pienempi sisäsäiliö vedellä. Haluat, että vesi on yhtä korkea kuin säiliö vuotamatta. Ole varovainen täällä! Jos läikytät vettä, tyhjennä suurempi astia ennen kuin yrität uudelleen.
- Tässä kokeessa on hyvä olettaa, että veden yleinen tiheys on 1000 kiloa/metri3. Ellet käytä merivettä tai täysin eri nestettä, useimpien vesityyppien tiheys on lähes sama kuin tämä vertailuarvo, joten pieni ero ei muuta tuloksia.
- Jos sinulla on silmätippoja, tämä voi olla erittäin hyödyllistä vedenpinnan nostamiseksi pienessä astiassa.
Vaihe 3. Upota pieni esine
Etsi seuraavaksi pieni esine, joka mahtuu pieneen astiaan eikä vesi vaurioidu. Etsi tämän kohteen massa kilogrammoina (saatat haluta käyttää asteikon tai vaa'an, joka voi ottaa grammoja ja muuntaa ne kilogrammoiksi). Kasta sitten sormet kastelematta hitaasti mutta varmasti, vetämällä esine veteen, kunnes se alkaa kellua, tai voit pitää sitä hieman ja vapauttaa sen. Huomaat, että osa pienessä säiliössä olevasta vedestä valuu ulkosäiliöön.
Esimerkissämme oletetaan, että upotamme leluauton, jonka massa on 0,05 kg, pieneen astiaan. Meidän ei tarvitse tietää tämän auton tilavuutta laskeaksemme sen kelluvuutta, koska näemme sen seuraavassa vaiheessa
Vaihe 4. Kerää ja laske vuotanut vesi
Kun upotat esineen veteen, se syrjäyttää osan vedestä - muuten ei ole paikkaa, johon laittaa esine veteen. Kun esine työntää veden ulos, vesi työntyy taaksepäin muodostaen kelluvan voiman. Ota läikkynyt vesi pienestä astiasta ja kaada se pieneen mittakuppiin. Veden tilavuus mittakupissa on sama kuin upotetun kohteen tilavuus.
Toisin sanoen, jos esine kelluu, vuotavan veden määrä on yhtä suuri kuin veden pinnan alle upotetun esineen tilavuus. Jos esineesi uppoaa, vuotavan veden tilavuus on yhtä suuri kuin kohteen kokonaistilavuus
Vaihe 5. Laske roiskuneen veden massa
Koska tiedät veden tiheyden ja voit mitata mittakuppiin läikkyneen veden määrän, löydät sen massan. Muuta vain äänenvoimakkuus metreiksi3 (tämänkaltaiset online -muuntamisapuvälineet voivat auttaa) ja kerrotaan veden tiheydellä (1000 kiloa/metri)3).
Esimerkissämme, että leluautomme uppoaa pieneen astiaan ja liikkuu noin kaksi ruokalusikallista (0,0003 metriä)3). Veden massan löytämiseksi kerromme sen tiheydellä: 1000 kiloa/metri3 × 0,0003 metriä3 = 0,03 kiloa.
Vaihe 6. Vertaa roiskuneen veden massaa esineen massaan
Nyt kun tiedät veteen upotettavan kohteen massan ja valuneen veden massan, vertaa niitä nähdäksesi, mikä massa on suurempi. Jos pieneen astiaan upotetun esineen massa on suurempi kuin roiskunut vesi, esine uppoaa. Toisaalta, jos roiskuneen veden massa on suurempi, esine kelluu. Tämä on kokeellisuuden kelluvuusperiaate - jotta esine voi kellua, sen on syrjäytettävä vesimäärä, jonka massa on suurempi kuin esineen massa.
- Siten esineet, joilla on pieni massa, mutta suuri tilavuus, ovat sellaisia esineitä, jotka kelluvat helpoimmin. Tämä ominaisuus tarkoittaa, että ontot esineet kelluvat erittäin helposti. Kuvittele kanootti - kanootti kelluu hyvin, koska se on ontto sisältä, joten se voi liikuttaa paljon vettä ilman suurta massaa. Jos kanootti ei ole ontto (kiinteä), kanootti ei kellu kunnolla.
- Esimerkissämme auton massa on suurempi (0,05 kg) kuin roiskuneen veden (0,03 kg). Tämä on samaa mieltä havaitsemamme kanssa: autot uppoavat.
