Vztlaková síla je síla opačná k gravitaci, která ovlivňuje všechny objekty ponořené do tekutiny. Když je předmět umístěn do tekutiny, hmota objektu tlačí na tekutinu (kapalinu nebo plyn), zatímco vztlaková síla tlačí předmět proti gravitaci. Obecně lze tuto vztlakovou sílu vypočítat podle rovnice FA = Vt × × g, s F.A je vztlaková síla, Vt je objem ponořeného předmětu, je hustota tekutiny a g je gravitační síla. Chcete -li se dozvědět, jak určit vztlak předmětu, začněte v kroku 1 níže.
Krok
Metoda 1 ze 2: Použití rovnice vztlaku
Krok 1. Najděte objem ponořené části objektu
Plovoucí síla působící na předmět je úměrná objemu ponořeného předmětu. Jinými slovy, čím větší je ponořená pevná část předmětu, tím větší vztlaková síla působí na předmět. To znamená, že předměty ponořené v kapalině mají vztlakovou sílu, která tlačí předmět nahoru. Chcete -li začít počítat vztlakovou sílu působící na předmět, je vaším prvním krokem obvykle stanovení objemu předmětu ponořeného v tekutině. Pro rovnici vztlaku by tato hodnota měla být v metrech3.
- U předmětu zcela ponořeného do tekutiny je objem ponořený roven objemu samotného předmětu. U předmětů, které se vznášejí nad hladinou tekutiny, se počítá pouze objem pod hladinou.
- Předpokládejme například, že chceme najít vztlakovou sílu působící na gumovou kouli plovoucí na vodě. Pokud je gumová koule dokonalá koule o průměru 1 m a plave s její polovinou ponořenou pod vodou, můžeme najít objem ponořené části tak, že zjistíme celkový objem koule a vydělíme dvěma. Protože objem koule je (4/3) (poloměr)3, víme, že objem naší koule je (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metru3. 0, 524/2 = 0,262 metru3 dřez.
Krok 2. Najděte hustotu vaší tekutiny
Dalším krokem v procesu zjišťování vztlaku je definování hustoty (v kilogramech/metr3) tekutiny, do které je předmět ponořen. Hustota je měření hmotnosti předmětu nebo látky v poměru k jeho objemu. Pokud dostanou dva objekty se stejným objemem, bude mít předmět s větší hustotou větší hmotnost. Podle pravidla platí, že čím větší je hustota tekutiny, do které je předmět ponořen, tím větší je vztlaková síla. U tekutin je obvykle nejjednodušší způsob, jak určit hustotu, jednoduše vyhledat v referenčním materiálu.
- V našem příkladu naše koule plave ve vodě. Nahlédnutím do akademických zdrojů můžeme zjistit, že voda má hustotu cca. 1 000 kilogramů/metr3.
- Další široce používané hustoty tekutin jsou uvedeny v technických zdrojích. Jeden ze seznamů najdete zde.
Krok 3. Najděte gravitační sílu (nebo nějakou jinou sílu směrem dolů)
Ať už se předmět potápí nebo plave v kapalině, vždy má gravitační sílu. V reálném světě je konstanta síly směrem dolů rovná 9,81 newtonů/kilogram. Avšak v situacích, kdy na kapalinu a předmět v ní ponořené působí jiné síly, například odstředivá síla, je třeba tuto sílu vzít v úvahu také pro určení čisté síly směrem dolů pro celý systém.
- V našem příkladu pracujeme s obyčejným statickým systémem, takže můžeme předpokládat, že jedinou silou dolů působící na tekutiny a objekty je obecná gravitační síla - 9,81 newtonů/kilogram.
- Co když však naše koule, která se vznáší v kbelíku s vodou, je švihnuta v kruhu ve vodorovném směru vysokou rychlostí? V tomto případě, za předpokladu, že se kbelík otáčí dostatečně rychle, aby se voda a koule nerozlila, síla směřující dolů v této situaci bude odvozena od odstředivé síly vytvořené houpáním kbelíku, nikoli od gravitace Země.
Krok 4. Vynásobte objem × hustotu × gravitaci
Pokud máte hodnotu objemu vašeho objektu (v metrech3), hustota vaší tekutiny (v kilogramech/metr)3) a gravitační silou (síla směřující dolů ve vašem systému), takže nalezení vztlaku je velmi snadné. Stačí vynásobit tyto tři hodnoty, abyste našli vztlakovou sílu v newtonech.
Pojďme vyřešit náš příkladový problém vložením našich hodnot do rovnice FA = Vt × × g. FA = 0,262 metru3 × 1 000 kilogramů/metr3 × 9,81 newtonů/kilogram = 2 570 newtonů.
Krok 5. Srovnejte vztlak s gravitační silou, zda váš předmět plave
Pomocí vztlakové rovnice je snadné najít sílu, která tlačí předmět nahoru a ven z tekutiny. S trochou úsilí navíc je však také možné určit, zda se předmět bude vznášet nebo potápět. Stačí najít vztlakovou sílu pro celý objekt (jinými slovy, pro hodnotu V použijte celý objemt), pak najděte gravitační sílu, která ji tlačí dolů, pomocí rovnice G = (hmotnost předmětu) (9,81 m/s2). Pokud je vztlaková síla větší než gravitační síla, předmět bude plavat. Na druhou stranu, pokud je gravitační síla větší než vztlaková síla, předmět se potopí. Pokud jsou velikosti stejné, říká se, že předmět plave.
-
Řekněme například, že chceme vědět, zda ve vodě bude plavat dřevěný válcový sud o hmotnosti 20 kilogramů a průměru 0,75 m a výšce 1,25 m. Tento problém použije několik kroků:
- Objem můžeme najít podle vzorce pro objem válce V = (poloměr)2(vysoký). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metru3.
- Dále za předpokladu, že velikost gravitace je obyčejná a velikosti vody běžné hustoty, můžeme najít vztlakovou sílu hlavně. 0,55 metru3 × 1000 kilogramů/metr3 × 9,81 newtonů/kilogram = 5 395, 5 newtonů.
- Nyní musíme najít gravitační sílu hlavně. G = (20 kg) (9,81 m/s2) = 196,2 newtonů. Tato síla je menší než vztlaková síla, takže hlaveň bude plavat.
Krok 6. Použijte stejný přístup, pokud je vaší tekutinou plyn
Při řešení problémů se vztlakem nezapomeňte, že tekutina, ve které je předmět ponořen, nemusí být kapalina. Plyny jsou také kapaliny, a přestože mají plyny ve srovnání s jinými látkami velmi nízkou hustotu, mohou stále podporovat určité masy předmětů plovoucích v plynu. Jednoduchý helium balón je toho důkazem. Protože plyn v balónu je méně hustý než okolní tekutina (okolní vzduch), balón plave!
Metoda 2 ze 2: Provedení jednoduchého pokusu o vztlak
Krok 1. Umístěte malou misku nebo šálek do větší mísy
U některých předmětů pro domácnost je snadné experimentovat s principy vztlaku! V tomto jednoduchém experimentu předvedeme, že ponořený předmět zažívá vztlakovou sílu, protože vytlačuje objem tekutiny rovnající se objemu ponořeného předmětu. Během toho také předvedeme praktický způsob, jak pomocí tohoto experimentu najít vztlakovou sílu předmětu. Chcete -li začít, umístěte malou otevřenou nádobu, například misku nebo šálek, do větší nádoby, jako je velká mísa nebo kbelík.
Krok 2. Naplňte malou nádobu až po okraj
Dále naplňte menší vnitřní nádobu vodou. Chcete, aby voda byla stejně vysoká jako nádoba, aniž by se rozlila. Tady pozor! Pokud vylijete vodu, vyprázdněte větší nádobu, než to zkusíte znovu.
- Pro účely tohoto experimentu je v pořádku předpokládat, že voda má obecnou hustotu 1 000 kilogramů/metr3. Pokud nepoužíváte mořskou vodu nebo úplně jinou kapalinu, většina typů vody má téměř stejnou hustotu jako tato referenční hodnota, takže malý rozdíl nezmění naše výsledky.
- Pokud máte oční kapky, může to být velmi užitečné pro zvýšení hladiny vody v malé nádobě.
Krok 3. Ponořte malý předmět
Dále se podívejte po malém předmětu, který se vejde do malé nádoby a nepoškodí ho voda. Najděte hmotnost tohoto objektu v kilogramech (můžete použít váhu nebo váhu, která může trvat gramy a převést je na kilogramy). Poté, aniž byste si namočili prsty, pomalu, ale jistě, ponořte předmět do vody, dokud nezačne plavat nebo jej můžete mírně držet a poté uvolnit. Všimnete si, že část vody v malé nádobě se rozlije do vnější nádoby.
Pro účely našeho příkladu předpokládejme, že ponoříme autíčko o hmotnosti 0,05 kilogramu do malé nádoby. Pro výpočet jeho vztlaku nepotřebujeme znát objem tohoto auta, protože to uvidíme v dalším kroku
Krok 4. Shromážděte a spočítejte rozlitou vodu
Když předmět ponoříte do vody, vytlačí část vody - jinak nebude kam předmět do vody vložit. Když předmět vytlačí vodu ven, voda tlačí zpět a vytvoří vztlakovou sílu. Vylijte rozlitou vodu z malé nádoby a nalijte ji do malé odměrky. Objem vody v odměrce se rovná objemu ponořeného předmětu.
Jinými slovy, pokud váš předmět plave, objem vody, který se rozlije, se bude rovnat objemu předmětu, který je ponořen pod hladinu vody. Pokud se váš předmět potopí, objem vody, který se rozlije, se rovná celkovému objemu předmětu
Krok 5. Vypočítejte hmotnost rozlité vody
Protože znáte hustotu vody a můžete měřit objem vody, která se rozlije v odměrce, můžete najít její hmotnost. Stačí změnit hlasitost na metry3 (online konverzní pomůcky, jako je tato, mohou pomoci) a vynásobte hustotou vody (1 000 kilogramů/metr3).
V našem případě předpokládejme, že se naše autíčko ponoří do malé nádoby a pohybuje se kolem dvou polévkových lžic (0,0003 metru)3). Abychom našli hmotnost naší vody, vynásobíme ji její hustotou: 1 000 kilogramů/metr3 × 0,0003 metrů3 = 0,03 kilogramu.
Krok 6. Porovnejte hmotnost rozlité vody s hmotností předmětu
Nyní, když znáte hmotnost předmětu, který ponořujete do vody, a hmotnost vody, která se rozlila, porovnejte je a zjistěte, která hmota je větší. Pokud je hmotnost předmětu ponořeného v malé nádobě větší než rozlitá voda, předmět se potopí. Na druhou stranu, pokud je hmotnost rozlité vody větší, předmět bude plavat. Toto je princip vztlaku v experimentu - aby předmět mohl plavat, musí vytlačit množství vody s hmotností větší, než je hmotnost samotného objektu.
- Objekty s nízkou hmotností, ale velkým objemem jsou typy objektů, které se vznášejí nejsnadněji. Tato vlastnost znamená, že duté předměty se velmi snadno vznášejí. Představte si kánoi - kánoe dobře plave, protože je uvnitř dutá, takže dokáže pohnout spoustou vody, aniž by musela mít velkou hmotu. Pokud kánoe není dutá (pevná), nebude kánoe správně plavat.
- V našem případě má auto větší hmotnost (0,05 kilogramu) než rozlitá voda (0,03 kilogramu). To souhlasí s tím, co pozorujeme: auta se potopí.
