Kuidas arvutada tõukejõudu: 12 sammu (koos piltidega) - Vihjeid

Sisu

Sammud
Näpunäited
Vajalikud materjalid

Tõukejõud on jõud, mis toimib raskussuunaga vastupidises suunas ja mõjutab kõiki vedelikku sukeldatud objekte. Kui objekt pannakse vedelikku, surub selle mass vedelikku (vedelikku või gaasi), samal ajal kui ujuv jõud surub eset ülespoole, toimides gravitatsiooni vastu. Üldiselt saab selle jõu arvutada võrrandi abil F_B = V_s × D × g, kus F_B on ujuv jõud, V_s on sukeldatud maht, D on vedeliku tihedus, millesse objekt on sukeldatud, ja g on gravitatsioonijõud. Objekti tõukejõu määramise õppimiseks lugege alustamiseks 1. sammu.

Sammud

1. meetod 2-st: ujuvusjõu võrrandi kasutamine

Leidke maht objekti sukeldatud osast. Objektile mõjuv ujuv jõud on otseselt võrdeline vee all oleva objekti mahuga. Teisisõnu: mida kindlam on objekt, seda suurem on sellele mõjuv ujuv jõud. See tähendab, et isegi vedelikku vajuvatel objektidel on jõud, mis surub neid ülespoole. Selle intensiivsuse arvutamise alustamiseks tuleb kõigepealt kindlaks teha sukeldatud objekti maht. Võrrandi jaoks peab see väärtus olema meetrites.
- Objektide puhul, mis on täielikult vedelikku sukeldatud, on sukeldatud ruumala sama kui objektil. Neile, kes ujuvad vedeliku pinnal, võetakse arvesse ainult pinna all olevat mahtu.
- Näitena ütleme, et tahame leida vees hõljuvale kummipallile mõjuva ujuva jõu. Kui pall on täiuslik kera, ühe meetrise läbimõõduga ja hõljub vees pooleks, saame sukeldatud osa mahu leida, leides kera kogumahu ja jagades selle kahega. Kuna kera ruumala on antud (4/3) π (raadiusega), on teada, et tulemuseks on (4/3) π (0,5) = 0,524 meetrit. 0,524 / 2 = 0,262 meetrit vee alla.
Leidke vedeliku tihedus. Järgmine samm ujuva jõu leidmise protsessis on objekti sukeldamise tiheduse (kilogrammides meetri kohta) määratlemine. Tihedus on eseme või aine suhtelise massi mahu maht. Arvestades kahte võrdse mahuga objekti, kaalub kõige kõrgema tihedusega objekt kõige rohkem. Reeglina, mida suurem on vedeliku tihedus, seda suuremat ujuvjõudu see avaldab. Vedelike abil on tihedust üldiselt lihtsam võrrelda võrdlusmaterjalidega.
- Meie näites hõljub pall vees. Akadeemilise jõuga nõu pidades võime leida, et vee tihedus on umbes 1000 kilo / meeter.
- Teiste levinumate vedelike tihedused on loetletud inseneri allikates. Sellise nimekirja leiate siit.
Leidke raskusjõud (või mõni muu allapoole suunatud jõud). Ükskõik, kas objekt on ujuv või täielikult uputatud, on see alati raskusjõu all. Reaalses maailmas on see pidev jõud võrdne 9,81 njuutonit / kg. Kuid olukordades, kus mõni muu jõud, näiteks tsentrifuug, mõjutab vedelikku ja uputatud eset, tuleb neid arvestada ka kogu allapoole suunatud jõu määramisel.
- Meie näites, kui tegemist on tavalise ja statsionaarse süsteemiga, võime eeldada, et ainus allpool tegutsev jõud on eespool nimetatud gravitatsioonijõud.
- Mis aga juhtuks, kui meie pall hõljub ämbris vett, keerutades horisontaalses ringis suure kiirusega? Eeldusel, et kopp keerleb piisavalt kiiresti, et nii vesi kui ka pall ei kukuks, tuleneks allapoole suunatud jõud selles olukorras tsentrifugaaljõust, mis on loodud ämbri liikumise, mitte maa raskuse tõttu.
Korrutage ruumala × tihedus × raskusaste. Kui teil on oma objekti mahu (meetrites), vedeliku tiheduse (naela / meeter) ja raskusjõu (või teie süsteemi allapoole suunatud jõu) väärtused, on hõljuva jõu leidmine lihtne. Newtonites jõu leidmiseks korrutage need kolm kogust lihtsalt.
- Lahendame oma näite, asendades oma väärtused võrrandis F_B = V_s × D × g. F_B = 0,262 meetrit × 1000 kilo / meeter × 9,81 njuutonit / kilo = 2570 njuutonit.
Uurige, kas teie objekt hõljub, kui võrrelda seda raskusjõuga. Ujuvusjõu võrrandit kasutades on lihtne leida jõud, mis surub objekti vedelikust, milles see on sukeldatud. Veidi rohkem tööd tehes saate siiski ka kindlaks teha, kas objekt hõljub või vajub. Lihtsalt leidke objekti jaoks tekkiv ujuv jõud (teisisõnu, kasutage kogu selle mahu V-na_s), leidke gravitatsioonijõud võrrandiga G = (objekti mass) (9,81 meetrit sekundis). Kui ujuv jõud on suurem kui raskusjõud, hõljub objekt ujuki. Kuid kui gravitatsioonijõud on suurem, vajub see ära. Kui need on samad, siis öeldakse, et objekt on "neutraalne".
- Näiteks oletame, et tahame teada, kas 20-kilogrammine silindriline puidust tünn läbimõõduga 0,75 meetrit ja kõrgusega 1,25 meetrit hõljub vees. Selleks on vaja teha mõned sammud:
  - Selle mahu leiame valemiga V = π (raadius) (kõrgus). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 meetrit.
  - Pärast seda, eeldades raskusjõu ja vee tiheduse vaikeväärtusi, saame kindlaks määrata tünni ujuvjõu. 0,55 meetrit × 1000 kilo / meeter × 9,81 njuutoni / kilo = 5395.5 njuutonid.
  - Nüüd peame leidma tünni raskusjõu. G = (20 kg) (9,81 meetrit sekundis) = 196,2 njuutonid. See on palju väiksem kui ujuv jõud, nii et tünn hõljub.
Kasutage sama tehnikat ka siis, kui teie vedelik on gaas. Ripiprobleemide lahendamisel pidage meeles, et vedelik ei pea olema vedelik. Gaase peetakse ka vedelaks ja vaatamata sellele, et nende tihedus on võrreldes muude materjalitüüpidega madalam, suudavad need siiski mõne eseme raskust toetada. Selle tõestuseks on lihtne heeliumiballoon. Kuna õhupalli gaas on vähem tihe kui ümbritsev vedelik, siis see hõljub!

Meetod 2/2: lihtsa tõukekatse läbiviimine

Asetage väike tass või kauss suuremasse nõusse. Mõne majapidamistarbega on hõlpsasti näha ujuvuse põhimõtteid! Selles lihtsas katses demonstreerime, et sukeldatud objekt kogeb ujuvust, kuna see tõrjub vedeliku mahu, mis on võrdne sukeldatud objekti mahuga. Seda tehes demonstreerime ka, kuidas leida katse ujuv jõud. Alustamiseks asetage väike konteiner, näiteks kauss või tass, suuremasse mahutisse, näiteks suuremasse kaussi või ämbrisse.
Täitke konteiner seest servani. Seejärel täitke suurem konteiner veega. Soovite, et veetase oleks üle serva, ilma et see ümber kalduks. Ole ettevaatlik! Kui vette satub vett, tühjendage suurem proov enne uuesti proovimist.
- Selle katse jaoks on ohutu eeldada, et vee tihedus on standardväärtus 1000 kilo / meeter. Kui te ei kasuta soolast vett või muud vedelikku, on enamiku veeliikide tihedus võrdlusväärtuse lähedal.
- Kui teil on tilguti, võib olla väga kasulik kontrollida sisemise mahuti veetaset.
Pange väike objekt. Nüüd leidke väike ese, mis sobib sisemahuti sisse ja mida vesi ei kahjusta. Leidke selle objekti mass kilogrammides (kasutage selleks skaalat). Seejärel kastke objekt ilma sõrmi märjaks tegemata vette, kuni see hakkab hõljuma või te ei saa seda enam käes hoida. Peate märkama, et sisemisest mahutist voolab vesi välimisse mahutisse.
- Ütleme oma näite jaoks, et panime sisemises konteineris mänguasjakäru massiga 0,05 kg. Tõukejõu arvutamiseks ei pea me auto mahtu teadma, nagu näeme järgmiselt.
Koguge ja mõõtke mahaloksunud vesi. Objekti vette sukeldamisel toimub vee nihkumine; kui seda ei oleks, poleks tal ruumi vette sattuda. Kui ta vedelikku surub, lükkab vesi tagasi, põhjustades tõukejõudu. Võtke mahaloksunud vesi ja pange see mõõtekotti. Vee maht peab olema võrdne sukeldatud mahuga.
- Teisisõnu, kui teie objekt hõljub, võrdub teie voolanud vee maht vette sukeldatud objekti mahuga. Kui teie objekt vajub, on selle voolanud vee maht võrdne kogu objekti mahuga.
Arvutage mahavoolanud vee mass. Kuna teate vee tihedust ja saate mõõta mahavoolanud mahtu, leiate massi. Teisendage maht lihtsalt meetriteks (selline võib olla ka veebipõhine teisendusriist) ja korrutage vee tihedusega (1000 kilo / meeter).
- Ütleme oma näites, et meie käru vajus ja liikus umbes kaks supilusikatäit (0,00003 meetrit).Vee massi leidmiseks korrutame selle tihedusega :: 1000 kilo / meeter × 0,00003 meetrit = 0,03 kilo.
Võrrelge nihutatud mahtu objekti massiga. Nüüd, kui teate veealust massi ja ümberasustatud massi, võrrelge neid, et näha, kumb on suurem. Kui uputatud eseme mass sisemahutis on suurem kui ümberasustatud veemass, peab see olema uppunud. Kuid kui vee nihutatud mass on suurem kui, siis peab objekt olema hõljunud. See on ujuvuse põhimõte; objekti hõljumiseks peab see tõrjuma suurema vee massi kui objekt.
- Ikka hõljuvad kõige väiksema massiga, kuid suurema mahuga objektid. See omadus tähendab, et õõnesobjektid hõljuvad. Mõelge kanuust; see hõljub, kuna see on õõnes, nii et see võib liikuda palju vett, ilma et sellel peaks olema suur mass. Kui kanuud oleksid kindlad, ei hõljuks need hästi.
- Meie näites on auto mass 0,05 kg, mis on suurem kui ümberasustatud vesi, 0,03 kg. See kinnitab meie tulemust: auto vajub ära.