Forța de flotabilitate hidrostatică - Mecanica fluidelor
Vă așteaptă mai multe videoclipuri de învățare și numeroase materiale:
Pachet complet pentru studenții ingineri
Videoclipul se încarcă .
Dacă videoclipul nu apare după scurt timp:
Ghid de vizionare video
Se știe că un corp dintr-un lichid (de exemplu, apă) are o greutate mai mică decât dacă corpul ar fi „pe uscat”. Puteți măsura acest lucru de ex. foarte ușor cu un dinamometru cu arc. Măsurați corpul „pe uscat”, apoi îl scufundați în apă și măsurați din nou greutatea. Vei vedea că corpul cântărește mai puțin în apă. Aceasta înseamnă că o forță trebuie să contracareze greutatea în lichidul luat în considerare. Această forță, care contracarează forța de greutate, se numește Plutire $ F_A $. Ascensorul, pe de altă parte, este aspectul în sine.
Motivul creării flotabilității este presiunea hidrostatică (de asemenea presiunea gravitațională), care este diferită ca mărime la diferite adâncimi (cu cât este mai profundă cu atât mai mare).
Ascensorul poate fi derivat din acesta. Din moment ce presiune La o adâncime mai mică $ h_1 $ este mai mică decât la o adâncime mai mare $ h_2 $, se aplică inițial următoarele:
$ p_1 Faceți clic aici pentru a extinde
Legea lui Arhimede
Forța de flotabilitate care acționează asupra corpului este egal greutatea cantității de lichid deplasată de acesta.
Deci flotabilitatea corespunde Greutatea lichidului deplasat (Principiul arhimedean):
Greutatea cantității de lichid $ G_ $ care este deplasată de corp poate fi calculată prin:
metodă
$ F_A = G_ = \ rho_ \; g \; V_ $ Plutire
Forța de flotabilitate $ F_A $ ia în considerare densitatea lichidului $ \ rho_ $, accelerația gravitațională $ g = 9,81 \ frac $ și volumul cantității deplasate de lichid $ V_ $ (= volumul corpului).
Din ecuația de mai sus se poate concluziona că Plutire pe un corp, cu cât volumul său scufundat este mai mare, cu atât este mai mare. În același timp, volumul corpului scufundat deplasează un volum la fel de mare de lichid.
Înștiințare
Flotabilitatea face ca organismul să pară că pierde în greutate. Greutatea sa efectivă este atunci numai
metodă
$ m $ masa corpului
Prin urmare, se poate afirma că un corp care este scufundat într-un fluid are o flotabilitate care duce la o scădere a greutății efective a corpului. Forța de flotabilitate este greutatea volumului de apă deplasată (nu greutatea corpului).
Chiuveta, ridicarea, plutirea
Următoarea întrebare este dacă corpul scufundat se scufundă, se ridică sau se află în echilibru (plutitor). Pentru aceasta trebuie să comparăm greutatea corpului cu forța de flotabilitate:
metodă
$ F_ = F_A - G_ $ Puterea rezultată
$ F_A = \ rho_ \ cdot g \ cdot V_ $
Din formula de mai sus pot rezulta trei cazuri:
Cazul 1: $ G_ F_A $
Forța rezultată $ F_ $ indică vertical în jos. Corpul se deplasează în jos.
Cazul 3: $ G_ = F_A $
Forța rezultată este zero și corpul rămâne în poziția sa (pluteste). În această situație, chiar și mici modificări ale presiunii statice sunt problematice, ceea ce duce la deplasarea corpului în sus și în jos.
Flotabilitate sumară
Dacă un corp este scufundat într-un lichid, presiunea de jos este mai mare decât presiunea de sus. Aceasta are ca rezultat o forță de ridicare verticală în sus a corpului. Această flotabilitate corespunde greutății lichidului deplasat (legea lui Arhimede). Dacă densitatea medie a corpului este mai mică decât densitatea lichidului, forța de flotabilitate depășește forța de greutate. Atunci lucrează Nu Dacă alte forțe îl afectează (de exemplu, forțe orizontale), corpul se ridică și înoată. Dacă, pe de altă parte, densitatea sa este mai mare decât cea a lichidului, corpul se scufundă în jos. Dacă, totuși, densitatea este aceeași, corpul rămâne în poziția sa.
Exemplu: forța de ridicare și forța rezultată
exemplu
Să se dea două bile, ambele fiind scufundate în apă. O bilă este din oțel cu o densitate de $ \ rho = 7,85 kg/dm ^ 3 $, cealaltă bilă este din lemn cu o densitate de $ \ rho = 0,8 kg/dm ^ 3 $. Cele două bile au un diametru de 200 mm. Apa are o densitate de $ \ rho = 999,97 kg/m ^ 3 $.
Cât de mari sunt forțele de flotabilitate ale celor două bile?
Care este forța rezultată a celor două bile? Ce se întâmplă exact cu bilele?
În primul rând, se determină forțele de flotabilitate ale celor două bile. Forța de flotabilitate este egală cu greutatea cantității de apă deplasată de bile. Aceasta înseamnă că densitatea apei, volumul corpului (= volumul de apă deplasat) și accelerația gravitațională sunt luate în considerare:
$ F_A ^ = 999.97 \ frac \ cdot 9.81 \ frac \ cdot \ frac \ pi \ cdot (0.1 m) ^ 3 = 41.09 N $.
$ F_A ^ = 999.97 \ frac \ cdot 9.81 \ frac \ cdot \ frac \ pi \ cdot (0.1 m) ^ 3 = 41.09 N $.
Așa cum s-a descris deja mai sus, forța de ridicare este o forță îndreptată vertical în sus (deoarece forța de pe partea inferioară este mai mare decât forța de sus). Deoarece aici se presupune o axă z pozitivă în sus, $ F_A $ este pozitiv.
Ambele forțe de flotabilitate sunt aceleași, deoarece numai densitatea apei și volumul bilelor sunt luate în considerare. Deoarece ambele au același volum, forțele de ridicare sunt, de asemenea, aceleași. Cu toate acestea, bila de lemn are o densitate mult mai mică decât bila de oțel. Rezultatul poate fi folosit acum pentru a determina ce se întâmplă exact cu bilele din apă.
$ F_ ^ = (999.97 \ frac - 7.850 \ frac) \ cdot 9.81 \ frac \ cdot \ frac \ cdot \ pi \ cdot (0.1 m) ^ 3 = -281.48 N $.
Semnul negativ înseamnă că forța rezultată este îndreptată în jos. La rândul său, asta înseamnă că mingea se deplasează în jos.
$ F_ ^ = (999.97 \ frac - 800 \ frac) \ cdot 9.81 \ frac \ cdot \ frac \ cdot \ pi \ cdot (0.1 m) ^ 3 = 8.22 N $.
Semnul pozitiv înseamnă că forța rezultată este îndreptată în sus. La rândul său, asta înseamnă că mingea se mișcă în sus.
Adâncimea de imersiune nu are nicio influență aici atâta timp cât mingea este complet scufundată.
Video: Forța de flotabilitate hidrostatică
Videoclipul se încarcă .
Dacă videoclipul nu apare după scurt timp:
Ghid de vizionare video
Alte conținuturi interesante pe această temă
Dimensiuni pentru construcția vehiculului
Poate că subiectul dimensiunilor pentru construcția vehiculelor (clase de vehicule) din cursul nostru online este, de asemenea, pentru dvs. Tehnologia vehiculului Interesant.
Interacțiunea mai multor forțe
Poate că subiectul interacțiunii mai multor forțe (cinetica: cauza mișcărilor) din cursul nostru online este, de asemenea, pentru dvs. fizică Interesant.
Sistemul inerțial
Poate că subiectul sistemului inerțial (cinetica punctului de masă) din cursul nostru online este, de asemenea, pentru dvs. Mecanica inginerească 3: dinamică Interesant.