Com calcular l’empenta: 12 passos (amb imatges) - Consells

Vídeo: Estudi hidrostàtic de la pressió sobre una comporta vertical

Content

Passos
Consells
Materials necessaris

L’empenta és la força que actua en sentit contrari al sentit de la gravetat que afecta tots els objectes submergits en un fluid. Quan un objecte es col·loca en un fluid, el seu pes empeny el fluid (líquid o gas), mentre que la força flotant empeny l'objecte cap amunt, actuant contra la gravetat. En termes generals, aquesta força es pot calcular mitjançant l'equació F_B = V_s × D × g, on F_B és la força flotant, V_s és el volum submergit, D és la densitat del fluid en què està submergit l'objecte i g és la força de gravetat. Per obtenir més informació sobre com es pot determinar l'empenta de l'objecte, vegeu el pas 1 per començar.

Passos

Mètode 1 de 2: Utilitzar l'equació de la força de flotabilitat

Cerqueu el volum de la porció submergida de l’objecte. La força flotant que actua sobre un objecte és directament proporcional al volum de l’objecte que està submergit. Dit d'una altra manera, com més sòlid és l'objecte, més gran serà la força que actua sobre ell. Això vol dir que fins i tot els objectes que s’enfonsen en un líquid tenen una força que els empeny cap amunt. Per començar a calcular aquesta intensitat, el primer pas és determinar el volum de l’objecte que està submergit. Per a l'equació, aquest valor ha de ser en metres.
- Per als objectes que queden completament submergits en el fluid, el volum submergit és el mateix que l'objecte. Per a aquells que floten a la superfície del fluid, només es considera el volum per sota de la superfície.
- A tall d’exemple, diguem que volem trobar la força flotant que actua sobre una bola de goma que flota a l’aigua. Si la bola és una esfera perfecta, amb un diàmetre d’un metre i flota per la meitat a l’aigua, podem trobar el volum de la porció submergida trobant el volum total de l’esfera i dividint-ne per dos. Com que el volum de l’esfera ve donat per (4/3) π (radi), se sap que tindrem un resultat de (4/3) π (0,5) = 0,524 metres. 0,524 / 2 = 0,262 metres submergits.
Cerqueu la densitat del vostre fluid. El següent pas en el procés de cerca de la força flotant és definir la densitat (en quilograms / metre) de la qual està submergit l'objecte. La densitat és una mesura d'un objecte o pes relatiu de la substància per volum. Tenint en compte dos objectes d’igual volum, el de més densitat pesa. Per regla general, com més gran és la densitat del fluid, més gran és la força de flotant que exerceix. Amb els fluids, generalment és més fàcil determinar la densitat mirant materials de referència.
- En el nostre exemple, la bola flota a l'aigua. Consultant una força acadèmica, podem trobar que la densitat de l’aigua és aproximadament 1000 quilos / metre.
- Les densitats d'altres fluids comuns apareixen a les fonts d'enginyeria. Una llista així es troba aquí.
Trobeu la força de la gravetat (o una altra força descendent). Tant si l’objecte està flotant com totalment submergit, sempre està sotmès a la força de la gravetat. Al món real, aquesta força constant és igual a 9,81 Newtons / kg. Tanmateix, en situacions en què una altra força, com la centrífuga, actua sobre un fluid i l’objecte submergit, també s’han de considerar per determinar la força descendent total.
- En el nostre exemple, si es tracta d’un sistema ordinari i estacionari, podem suposar que l’única força que actua cap avall és la força de gravetat esmentada anteriorment.
- Tanmateix, què passa si la nostra bola flotava dins una galleda d’aigua, girant a gran velocitat en un cercle horitzontal? En aquest cas, suposant que la galleda estigui girant prou ràpid per garantir que tant l’aigua com la bola no caiguin, la força descendent d’aquesta situació derivaria de la força centrífuga creada pel moviment de la galleda, no per la gravetat de la terra.
Multiplica el volum × la densitat × la gravetat. Quan teniu valors per al volum de l’objecte (en metres), la densitat del vostre fluid (en lliures / metre) i la força de gravetat (o la força cap a baix del vostre sistema), és fàcil trobar la força de la flotabilitat. Simplement, multiplica aquestes tres quantitats per trobar la força en newton.
- Resolem el nostre exemple substituint els nostres valors per l’equació F_B = V_s × D × g. F_B = 0,262 metres × 1000 quilos / metre × 9,81 newtons / quilo = 2570 Newtons.
Esbrineu si el vostre objecte flota comparant-lo amb la força de la gravetat. Amb l'equació de la força de flotabilitat, és fàcil trobar la força que empeny un objecte fora del fluid en el qual està submergit. Tanmateix, amb una mica més de treball, també podeu determinar si l’objecte flotarà o s’enfonsarà. Simplement, busqueu la força de l’objecte (és a dir, utilitzeu tot el volum com a V_s) i, a continuació, trobar la força de gravetat amb l’equació G = (massa de l’objecte) (9,81 metres / segon). Si la força flotant és superior a la de la gravetat, l’objecte surarà. Però si la força de gravetat és més gran, s’enfonsarà. Si són iguals, es diu que l'objecte és "neutre".
- Per exemple, diguem que volem saber si flotarà a l’aigua una bóta cilíndrica de fusta de 20 quilograms amb un diàmetre de 0,75 metres i una alçada d’1,25 metres. Això requereix uns quants passos:
  - Podem trobar el seu volum amb la fórmula V = π (radi) (alçada). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 metres.
  - Després d'això, assumint els valors predeterminats per a la gravetat i la densitat d'aigua, podem determinar la força de flotant al barril. 0,55 metres × 1000 quilos / metre × 9,81 tones / quilo = 5395,5 Newtons.
  - Ara, hem de trobar la força de gravetat al barril. G = (20 kg) (9,81 metres / segon) = 196.2 Newtons. És molt inferior a la força flotant, de manera que el barril flotarà.
Utilitzeu la mateixa tècnica quan el fluid és un gas. En resoldre problemes de ripo, recordeu que el líquid no ha de ser un líquid. Els gasos també es consideren fluids i, tot i tenir densitats inferiors en comparació amb altres tipus de materials, encara poden suportar el pes d'alguns objectes. Una simple globus d’heli n’és una prova. Com que el gas del globus és menys dens que el fluid que l’envolta, sura!

Mètode 2 de 2: Realització d'un experiment simple d'empenta

Col·loqueu una tassa petita o bol en un recipient més gran. Amb alguns objectes domèstics, és fàcil veure els principis de flotabilitat en acció. En aquest senzill experiment, demostrarem que un objecte submergit experimenta flotabilitat, ja que desplaça un volum de fluid igual al volum de l'objecte submergit. Tot fent això, també demostrem com trobar la força boent d’un experiment. Per començar, poseu un recipient petit, com un bol o tassa, en un recipient més gran, com ara un bol o una galleda més grans.
Ompliu el recipient des de dins fins a la vora. A continuació, ompliu d'aigua el recipient més gran. Voleu que el nivell de l’aigua estigui per sobre de la vora, sense inclinar-se. Ves amb compte! Si vesseu aigua, buideu el contenidor més gran abans de tornar-ho a provar.
- Per a aquest experiment, és segur suposar que l’aigua que té la densitat d’aigua té un valor estàndard de 1000 quilos per metre. A menys que utilitzeu aigua salada o un líquid diferent, la majoria dels tipus d’aigua tenen una densitat propera a la referència.
- Si teniu un comptagotes, pot ser molt útil comprovar el nivell d’aigua al contenidor interior.
Submergir un objecte petit. Ara, busqueu un objecte petit que s’encaixi dins del contenidor interior i que no es vegi malmès per l’aigua. Cerqueu la massa d’aquest objecte en quilograms (utilitzeu una escala per a això). A continuació, sense mullar-se els dits, submergiu l’objecte en aigua fins que comenci a surar o ja no el podreu subjectar. Heu de notar que l’aigua del contenidor interior s’aboca al contenidor exterior.
- Als efectes del nostre exemple, diguem que estem col·locant un carro de joguines amb una massa de 0,05 kg a dins del contenidor. No cal saber el volum del cotxe per calcular l’empenta, com veurem a continuació.
Recolliu i mesureu l’aigua que heu vessat. Quan submergiu un objecte en aigua, es produeix un desplaçament d’aigua; si no ho fos, no hi hauria lloc per entrar a l’aigua. Quan empeny el líquid, l’aigua empeny cap enrere, provocant l’empenta. Agafeu l’aigua que heu vessat i poseu-la en una tassa de mesurament. El volum d’aigua ha de ser igual al del volum submergit.
- En altres paraules, si el vostre objecte flota, el volum d’aigua que vessareu serà igual al volum de l’objecte submergit a l’aigua. Si el vostre objecte s’enfonsa, el volum d’aigua que vessi és igual al volum de tot l’objecte.
Calcula el pes de l’aigua vessada. Ja que coneixeu la densitat de l’aigua i podeu mesurar el volum que s’ha vessat, podeu trobar la massa. Simplement convertiu el volum en metres (una eina de conversió en línia, com aquesta, pot ser útil) i multiplica per la densitat de l’aigua (1000 quilos per metre).
- En el nostre exemple, diguem que el nostre carretó es va enfonsar i es va moure unes dues cullerades (0.00003 metres).Per trobar la massa de l’aigua, la multiplicem per la seva densitat: 1000 quilos / metres × 0,00003 metres = 0,03 quilos.
Compareu el volum desplaçat amb la massa de l’objecte. Ara que coneixeu la massa submergida i la massa desplaçada, compareu-les per veure quina és més gran. Si la massa de l’objecte submergit al contenidor interior és superior a la massa d’aigua desplaçada, ha d’haver-se enfonsat. Però si la massa d’aigua desplaçada és superior a, l’objecte ha d’haver surat. Aquest és el principi de flotabilitat; perquè un objecte floti ha de desplaçar una massa d'aigua més gran que la de l'objecte.
- Tot i així, els objectes amb masses més baixes però volums més grans són els objectes que més suren. Aquesta propietat significa que els objectes buits suren. Penseu en una canoa; sura perquè està buit, de manera que pot moure molta aigua sense necessitat de tenir una massa gran. Si les canoes fossin sòlides, no flotarien bé.
- En el nostre exemple, el cotxe té una massa de 0,05 kg, més gran que l’aigua desplaçada, 0,03 kg. Això confirma el nostre resultat: el cotxe s’enfonsa.