Berechnung der Schwimmkraft: 12 Schritte (mit Foto) - Tipps

Möglichkeiten zur Berechnung der Schwebekraft - Tipps

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Die Schwebekraft ist die Kraft, die auf ein Objekt wirkt, das entgegen der Schwerkraft in Flüssigkeit getaucht ist. Wenn sich ein Objekt in einer Flüssigkeit befindet, drückt das Gewicht des Objekts die Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas) nach unten, während der Auftrieb das Objekt in die entgegengesetzte Richtung der Schwerkraft nach oben drückt. Im Allgemeinen kann dieser Auftrieb unter Verwendung von Gleichungen berechnet werden F._b = V._S. × D × g, in dem F._b ist der Auftrieb, V._S. ist das Volumen des eingetauchten Teils, D ist die Dichte der das Objekt umgebenden Flüssigkeit und g ist die Schwerkraft. Beginnen Sie mit Schritt 1, um zu erfahren, wie Sie den Auftrieb eines Objekts bestimmen.

Schritte

Methode 1 von 2: Verwenden Sie die Floating Force-Gleichung

Finden Sie die Lautstärke der untergetauchte Teil des Objekts. Der auf das Objekt wirkende Auftrieb korreliert direkt mit dem untergetauchten Volumenanteil des Objekts. Mit anderen Worten, je größer die Senke eines festen Körpers ist, desto stärker wirkt der Auftrieb darauf. Das heißt, selbst wenn das Objekt vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht ist, wirkt immer noch ein Auftrieb darauf. Um mit der Berechnung der auf ein Objekt wirkenden Auftriebskraft zu beginnen, besteht der erste Schritt normalerweise darin, das Volumen des in der Flüssigkeit eingeweichten Volumens zu bestimmen. In der Gleichung für die Schwebekraft muss dieser Wert in m geschrieben werden.
- Bei einem Objekt, das vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht ist, entspricht das Volumen, das eingetaucht ist, dem Volumen des Objekts selbst. Für den Überstand der Flüssigkeit betrachten wir nur den Volumenanteil unter der Oberfläche der Flüssigkeit.
- Nehmen wir zum Beispiel an, wir möchten den Auftrieb eines im Wasser schwimmenden Gummiballs ermitteln. Wenn die Kugel eine perfekte Kugel mit einem Durchmesser von 1 m ist und mit genau einer Hälfte untergetaucht schwebt, können wir das Volumen des eingetauchten Teils ermitteln, indem wir das Volumen der gesamten Kugel berechnen und in zwei Hälften teilen. Da das Volumen der Kugel (4/3) π (Radius) beträgt, beträgt das Volumen der Kugel (4/3) π (0,5) = 0,524 m. 0,524 / 2 = 0,262 m wurden versenkt.
Finden Sie die Dichte der Flüssigkeit. Der nächste Schritt beim Ermitteln der Schwimmkraft besteht darin, die Dichte (in kg / m) der umgebenden Flüssigkeit zu bestimmen. Die Dichte ist eine Größe, die durch das Verhältnis der Masse einer Materie oder Materie zu ihrem entsprechenden Volumen gemessen wird. Bei zwei Objekten mit gleichem Volumen ist das Objekt mit einer höheren Dichte schwerer. Die allgemeine Faustregel lautet: Je höher die Dichte einer Flüssigkeit ist, desto größer ist der Auftrieb auf den Körper, der darin versinkt. Bei Flüssigkeiten ist die Bestimmung der Dichte normalerweise am einfachsten über Referenzen.
- Im obigen Beispiel schwimmt der Ball im Wasser. Die Bezugnahme auf die Studienliteratur zeigt, dass Wasser eine spezifische Dichte hat 1.000 kg / m.
- Die Dichte vieler gängiger Flüssigkeiten ist in der Fachliteratur angegeben. Diese Liste finden Sie hier.
Finden Sie die Schwerkraft (oder eine andere Kraft nach unten). Unabhängig davon, ob ein Objekt in einer Flüssigkeit sinkt oder schwimmt, steht es immer unter der Schwerkraft. Tatsächlich handelt es sich bei dieser Abwärtskraftkonstante um 9,81 Newton / Kilogramm. In Fällen, in denen eine andere Kraft auf die Flüssigkeit wirkt und der Körper darin versinkt, wie beispielsweise die Radialkraft, müssen wir diese Kraft auch bei der Berechnung der gesamten "Abwärts" -Kraft für das gesamte System berücksichtigen.
- Wenn wir im obigen Beispiel ein normales statisches System haben, kann angenommen werden, dass die einzige nach unten gerichtete Kraft, die auf die Flüssigkeit und den Körper wirkt, die Standardgravitation ist - 9,81 Newton / Kilogramm.
Volumen mit Dichte und Schwerkraft multiplizieren. Wenn Sie die Werte für das Objektvolumen (in m), die Flüssigkeitsdichte (in kg / m) und die Schwerkraft (oder die Abwärtskraft des Newton / Kilogramm-Systems) haben, wird es einfach, die Schwimmkraft zu finden. . Verdreifachen Sie diese einfach, um die schwebende Kraft in Newton zu finden.
- Lösen Sie das Beispielproblem, indem Sie die Werte in die Gleichung F einfügen_b = V._S. × D × g. F._b = 0,262 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 2.570 Newton. Die anderen Einheiten würden sich gegenseitig vernichten und nur die Newton-Einheit übrig lassen.
Bestimmen Sie, ob das Objekt schwebt oder nicht, indem Sie es mit der Schwerkraft vergleichen. Wenn Sie die Auftriebsgleichung verwenden, können Sie leicht die Kraft finden, die das Objekt aus der Flüssigkeit drückt. Sie können jedoch auch feststellen, ob das Material in der Flüssigkeit schwimmt oder sinkt, wenn Sie einen zusätzlichen Schritt ausführen. Finden Sie die schwebende Kraft, die auf den gesamten Körper wirkt (dh verwenden Sie das gesamte Volumen des Körpers V._S.), dann finden Sie die Schwerkraft, die das Objekt anzieht, durch die Gleichung G = (Masse des Objekts) (9,81 m / s). Wenn die Schwebekraft größer als die Schwerkraft ist, schwebt das Objekt. Wenn andererseits die Schwerkraft größer ist, sinkt das Objekt. Wenn diese beiden Kräfte gleich sind, sagen wir das Ding suspendiert.
- Ein schwebender Gegenstand schwimmt nicht über Wasser und sinkt im Wasser nicht auf den Boden. Es wird in der Flüssigkeit zwischen Oberfläche und Boden suspendiert.
- Nehmen wir zum Beispiel an, wir möchten wissen, ob eine 20 kg schwere zylindrische Holzkiste mit einem Durchmesser von 0,75 Metern und einer Höhe von 1,25 Metern im Wasser schwimmen kann. Wir müssen für dieses Problem mehrere Schritte ausführen:
  - Das erste besteht darin, das Volumen unter Verwendung der Formel für das Zylindervolumen V = π (Radius) (Höhe) zu ermitteln. V = π (0,375) (1,25) = 0,55 m.
  - Unter der Annahme, dass wir die Standardgravitation und die Dichte des Wassers kennen, lösen wir als nächstes die auf den Lauf wirkende Schwimmkraft auf. 0,55 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 5,395,5 Newton.
  - Jetzt müssen wir die Schwerkraft finden, die auf die Holzkiste wirkt. G = (20 kg) (9,81 m / s) = 196,2 Newton. Dieses Ergebnis ist viel kleiner als die Auftriebskraft, sodass der Lauf schwimmt.
Verwenden Sie dieselbe Berechnung, wenn die Flüssigkeit ein Gas ist. Vergessen Sie bei der Lösung von Auftriebsproblemen nicht, dass die Flüssigkeit keine Flüssigkeit sein muss. Gase werden auch als Flüssigkeiten bezeichnet, obwohl sie im Vergleich zu anderen Arten von Materie eine sehr geringe Dichte aufweisen und Gas dennoch einige der darin schwebenden Objekte abstoßen kann. Die Heliumblase ist der Beweis dafür. Da das Helium in einer Blase leichter ist als die Flüssigkeit um sie herum (Luft), fliegt die Blase weg! Werbung

Methode 2 von 2: Führen Sie ein einfaches Experiment mit der Schwimmkraft durch

Stellen Sie eine kleine Schüssel in eine größere. Mit nur wenigen Objekten im Haus können Sie die Auswirkungen des Auftriebs in der Praxis leicht erkennen. In diesem Experiment zeigen wir, dass ein Objekt beim Eintauchen unter dem Auftrieb leidet, da es die Flüssigkeitsmenge ersetzt, die dem Volumen des eingetauchten Objekts entspricht. Während der Durchführung von Experimenten zeigen wir auch, wie die schwebende Kraft des Objekts in der Praxis ermittelt werden kann. Zuerst stellen Sie einen kleinen, kappenlosen Behälter wie eine Schüssel oder eine Tasse in einen größeren Behälter wie eine große Schüssel oder einen Eimer Wasser.
Füllen Sie einen kleinen Behälter von Rand zu Rand mit Wasser. Sie müssen das Wasser nahe am Rand gießen, ohne es zu verschütten. Seien Sie bei diesem Schritt vorsichtig! Wenn Sie das Wasser überlaufen lassen, müssen Sie den großen Behälter vollständig entleeren und dann von vorne beginnen.
- Für dieses Experiment nehmen wir an, dass Wasser eine Dichte von 1000 kg / m hat. Sofern Sie keine Salzlösung oder eine völlig andere Flüssigkeit verwenden, haben die meisten Wässer eine Dichte nahe diesem Referenzwert, sodass die Ergebnisse nicht beeinträchtigt werden.
- Wenn Sie eine Pipette haben, können Sie damit Wasser in den Innenbehälter tropfen lassen, sodass der Wasserstand bis zum Rand reicht.
Tauchen Sie einen kleinen Gegenstand ein. Suchen Sie als Nächstes nach einem Objekt, das bequem in einen kleinen Behälter ohne Wasserschäden passt. Finden Sie das Gewicht dieses Objekts in Kilogramm (Sie sollten die Skala für die Messung in Gramm verwenden und sie dann in Kilogramm umrechnen). Drücken Sie das Objekt dann langsam ins Wasser, ohne dass Ihr Finger nass wird, bis es zu schweben beginnt oder Sie es kaum noch halten können, und lassen Sie es dann los. Über den Rand des Innenbehälters sollte etwas Wasser in den Außenbehälter gelangen.
- Nehmen wir für dieses Beispiel an, wir drücken ein 0,05 kg schweres Spielzeugauto in seinen Innenbehälter. Wir müssen das Volumen des Autos nicht kennen, um den Auftrieb zu berechnen, wie wir im nächsten Schritt wissen werden.
Sammeln und messen Sie den Wasserüberlauf. Wenn Sie ein Objekt ins Wasser drücken, tritt es an die Stelle von etwas Wasser - ansonsten haben Sie keinen Platz, um es ins Wasser zu tauchen. Wenn es Wasser aus dem Weg drückt, stößt das Wasser ab und erzeugt Auftrieb. Sammeln Sie das verschüttete Wasser aus dem Innenbehälter und gießen Sie es in den kleinen Messbecher. Das Wasservolumen in der Tasse sollte dem Volumen des eingetauchten Objekts entsprechen.
- Mit anderen Worten, wenn das Objekt schwimmt, entspricht das überlaufende Wasservolumen dem Volumen des unter die Wasseroberfläche getauchten Objekts. Wenn das Objekt sinkt, entspricht das Volumen des Wasserüberlaufs dem Volumen des gesamten Objekts.
Berechnen Sie die Menge des verschütteten Wassers. Da Sie die Wasserdichte kennen und das in einem Messbecher überlaufende Wasservolumen messen können, berechnen Sie das Wasservolumen. Konvertieren Sie das Volumen in m (ein Online-Einheitenumrechner wie dieser kann hier helfen) und multiplizieren Sie es mit der Wasserdichte (1.000 kg / m).
- Nehmen Sie im obigen Beispiel an, dass das Spielzeugauto in seinen inneren Behälter eingetaucht ist und etwa 2 Esslöffel (0,00003 m) Wasser einnimmt. Um die Wassermasse zu ermitteln, multiplizieren Sie diese mit der Dichte: 1.000 kg / m × 0,00003 m = 0,03 kg.
Vergleichen Sie das Volumen des verdrängten Wassers und die Masse des Objekts. Nachdem Sie nun die Massen sowohl des untergetauchten als auch des verdrängten Wassers kennen, vergleichen Sie diese beiden Werte. Wenn die Masse des Objekts größer ist als das verdrängte Wasservolumen, sinkt das Objekt. Wenn andererseits das Volumen des verdrängten Wasservolumens größer ist, schwimmt das Objekt. Dies ist das Prinzip des Auftriebs in der Praxis - für einen Schwimmkörper muss er eine Wassermasse verdrängen, die größer ist als die Masse des Körpers selbst.
- Daher sind Objekte mit geringem Gewicht und großem Volumen die besten schwebenden Objekte. Diese Eigenschaft zeigt an, dass hohle Objekte sehr gut schweben können. Werfen wir einen Blick auf das Kanu - es schwimmt gut, weil es innen hohl ist, so dass es viel Wasser aufnehmen kann, aber die Masse nicht zu schwer ist. Wenn das Kanu innen dick wäre, könnte es nicht gut schwimmen.
- Im obigen Beispiel ist ein Fahrzeug mit einer Masse von 0,05 kg größer als ein um 0,03 kg verdrängtes Wasservolumen. Dies entspricht dem, was wir beobachten: Das Auto ist gesunken.
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