So berechnen Sie den Auftrieb (mit Bildern)

Auftrieb ist die Kraft, die gegenüber der Schwerkraftrichtung entgegenwirkt, die alle in einer Flüssigkeit eingetauchten Gegenstände beeinflusst. Wenn ein Objekt in eine Flüssigkeit eingesetzt wird, drückt das Gewicht des Objekts auf das Fluid (Flüssigkeit oder Gas), während eine Auftriebskraft auf dem Objekt auf dem Objekt nach oben drückt und gegen die Schwerkraft wirkt. Im Allgemeinen kann diese Auftriebskraft mit der Gleichung berechnet werden F_B = V_S × d × g, wo F_B ist die Auftriebskraft, die auf dem Objekt wirkt, v_S ist das untergetauchte Volumen des Objekts, d ist die Dichte der Flüssigkeit, in die das Objekt eingetaucht ist, und G ist die Kraft der Schwerkraft. Um zu erfahren, wie Sie den Auftrieb eines Objekts ermitteln, siehe Schritt 1 unten, um loszulegen.

Schritte

Methode 1 von 2:

Verwendung der Auftriebskraftgleichung

Finde das Volumen des untergetauchten Teils des Objekts. Die Auftriebskraft, die auf ein Objekt handelt, ist direkt proportional zum Volumen des untergetauchten Objekts. Mit anderen Worten, desto mehr ein festes Objekt, das untergetaucht ist, desto größer ist die Kraft des Auftriebs, die darauf wirkt. Dies bedeutet, dass selbst Objekte, die in Flüssigkeit sinken, eine Auftriebskraft aufweisen, die auf sie nach oben schiebt. Um mit der Berechnung der auf einem Objekt wirkenden Auftriebskräfte zu berechnen, sollte der erste Schritt im Allgemeinen darin bestehen, das Volumen des Objekts zu ermitteln, das in Flüssigkeit eingetaucht ist. Für die Auftriebskraftgleichung sollte dieser Wert in Metern sein.

Bei Objekten, die vollständig in Flüssigkeit eingetaucht sind, ist das untergetauchte Volumen gleich dem Volumen des Objekts selbst. Bei Objekten, die auf der Oberfläche eines Fluids schweben, wird nur das Volumen unter der Oberfläche des Fluids berücksichtigt.
Nehmen wir als Beispiel an, dass wir die Auftriebskraft finden wollen, die auf einen Gummikugel handelt, der in Wasser schwimmt. Wenn der Ball eine perfekte Kugel mit einem Durchmesser von 1 Meter ist (3.3 ft) und es schwimmt genau auf halbem Weg in das Wasser, wir finden das Volumen des untergetauchten Abschnitts, indem wir das Volumen des gesamten Balls findet und in die Hälfte teilen. Da das Volumen einer Kugel (4/3) π (Radius) ist, wissen wir, dass das Volumen unseres Balls (4/3) π (0.5) = 0.524 Meter. 0.524/2 = 0.262 Meter eingetaucht.

Bildtitel Berechnen Sie den Auftriebssystem 2

Finde die Dichte von deiner Flüssigkeit. Der nächste Schritt beim Finden der Auftriebskraft besteht darin, die Dichte (in Kilogramm / Meter) der Flüssigkeit zu definieren, in der das Objekt eingetaucht ist. Dichte ist ein Maß für das Gewicht eines Objekts oder einer Substanzgewichts relativ zu seinem Volumen. Bei zwei Objekten des gleichen Volumens wird das Objekt mit der höheren Dichte mehr wiegen. Je höher die Dichte des Fluids ein Objekt ist in der Regel eingetaucht, desto größer ist die Kraft des Auftriebs. Mit Flüssigkeiten ist es im Allgemeinen am einfachsten, die Dichte zu bestimmen, indem er einfach in Bezug auf Referenzmaterialien schaut.

In unserem Beispiel fließt unser Ball in Wasser. Durch die Beratung einer akademischen Quelle können wir feststellen, dass Wasser eine Dichte von ungefähr hat 1.000 Kilogramm / Meter.

Die Dichten vieler anderer üblicher Flüssigkeiten sind in technischen Ressourcen aufgeführt. Eine solche Liste kann gefunden werden Hier.

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3. Finden Sie die Kraft der Schwerkraft (oder eine andere Abwärtskraft). Ob ein Objekt in der fließenden Flüssigkeit sinkt oder schwebt, in der eingetaucht ist, er unterliegt immer der Schwerkraft. In der realen Welt ist diese konstante Abwärtskraft gleich 9.81 Newtons / Kilogramm. In Situationen, in denen eine andere Kraft, wie eine Zentrifugalkraft, auf das Fluid und das darin eingetauchte Objekt wirkt, muss dies auch berücksichtigt werden, um die Summe zu bestimmen "nach unten" Kraft für das gesamte System.

Wenn wir in unserem Beispiel mit einem gewöhnlichen, stationären System befassen, können wir davon ausgehen, dass die einzige Abwärtskraft auf die Flüssigkeit und das Objekt die Standardkraft der Schwerkraft ist - 9.81 Newtons / Kilogramm.

Bild mit dem Titel Berechnen des Auftriebsschritts 4

4. Multiplizieren Sie das Volumen × Dichte × Schwerkraft. Wenn Sie Werte für das Volumen Ihres Objekts (in Metern) haben, ist die Dichte Ihrer Flüssigkeit (in Kilogramm / Meter) und der Schwerkraft (oder der Abwärtskraft Ihres Systems in Newtons / Kilogramm) die Auftriebskraft ist einfach. Multiplizieren Sie einfach diese 3 Mengen, um die Kraft des Auftriebs in Newtons zu finden.

Lassen Sie uns unser Beispielproblem lösen, indem Sie unsere Werte in die Gleichung f anschließen_B = V_S × d × g. F_B = 0.262 Meter × 1.000 Kilogramm / Meter × 9.81 Newtons / Kilogramm = 2.570 Newtons. Die anderen Einheiten stornieren sich aufeinander und lassen Sie mit Newtons.

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5. Finden Sie, ob Ihr Objekt schwebt, indem Sie mit seiner Schwerkraftkraft vergleichen. Mit der Auftriebskraftgleichung ist es leicht, die Kraft zu finden, die einen Gegenstand aus der Flüssigkeit drückt, die in eingetaucht ist. Mit etwas zusätzlicher Arbeit ist es jedoch auch möglich, festzustellen, ob das Objekt schwimmt oder sinkt. Finden Sie einfach die Auftriebskraft für das gesamte Objekt (mit anderen Worten, verwenden Sie das gesamte Volumen als v_S), dann finden Sie die Kraft der Schwerkraft, die es mit der Gleichung G = (Masse des Objekts) nach unten drücken (9.81 Meter / Sekunde). Wenn die Kraft des Auftriebs größer ist als die Kraft der Schwerkraft, schwebt das Objekt. Andererseits, wenn die Schwerkraft größer ist, sinkt er. Wenn sie gleich sind, soll das Objekt sein neutral lebhaft.

Ein neutral lebhaftes Objekt schwimmt nicht auf die Oberfläche oder sinkt, wenn er in Wasser ist. Es wird einfach irgendwo zwischen oben und unten in der Flüssigkeit suspendiert.

Nehmen wir zum Beispiel an, wir möchten wissen, ob ein zylindrischer Holzfass von 20 Kilogramm mit einem Durchmesser von .75 Meter (2.5 ft) und eine Höhe von 1.25 Meter (4.1 ft) schwebt in Wasser. Dies dauert mehrere Schritte:

Wir können sein Volumen mit der zylindrischen Volume-Formel V = π (Radius) (Höhe) finden. V = π (.375) (1.25) = 0.55 Meter.

Als Nächstes, vorausgesetzt, ordinärer Schwerkraft und Wasser mit gewöhnlicher Dichte, können wir für die Kraft des Auftriebs auf dem Fass lösen. 0.55 Meter × 1000 Kilogramm / Meter × 9.81 Newtons / Kilogramm = 5.395.5 Newtons.

Nun müssen wir die Kraft der Schwerkraft auf dem Fass finden. G = (20 kg) (9.81 Meter / Sekunde) = 196.2 Newtons. Dies ist viel weniger als die Auftriebskraft, so dass das Fass schweben wird.

Bild mit dem Titel Berechnen Sie Auftriebsstufe 6

6. Verwenden Sie den gleichen Ansatz, wenn Ihre Flüssigkeit ein Gas ist. Vergessen Sie nicht, dass die Flüssigkeit, in der das Objekt untergetaucht ist, nicht unbedingt eine Flüssigkeit sein muss. Gase zählen auch als Flüssigkeiten, und obwohl sie im Vergleich zu anderen Arten von Materie sehr geringe Dichten aufweisen, können das Gewicht bestimmter Objekte immer noch unterstützen. Ein einfacher Heliumballon ist ein Beweis dafür. Weil das Gas im Ballon weniger dicht ist als die Flüssigkeit um ihn herum (gewöhnliche Luft), schwebt es!

Methode 2 von 2:

Ein einfaches Auftriebsversuch durchführen

1. Legen Sie eine kleine Schüssel oder eine Tasse in einem größeren. Mit ein paar Haushaltsgegenständen ist es leicht, die Prinzipien des Auftriebs in Aktion zu sehen! In diesem einfachen Experiment zeigen wir, dass ein untergetauchtes Objekt auftaucht, da er ein Flüssigkeitsvolumen verdrängt, das dem Volumen des untergetauchten Objekts entspricht. Wie wir dies tun, zeigen wir auch, wie man mit diesem Experiment praktisch eine Auftriebskräfte eines Objekts finden kann. Um zu beginnen, platzieren Sie einen kleinen offenen Behälter, wie eine Schüssel oder eine Tasse, in einem größeren Behälter, wie groß eine Schüssel oder ein Eimer.

Bildtitel Berechnen Sie den Auftriebssystem 8

2. Füllen Sie den Innenbehälter in den Rand. Füllen Sie den kleinen Innenbehälter mit Wasser an. Sie möchten, dass der Wasserstand ohne Verschütten an der Oberseite des Behälters ist. Sei vorsichtig hier! Wenn Sie Wasser verschütten, leeren Sie den größeren Container, bevor Sie erneut versuchen.

Für die Zwecke dieses Experiments ist es sicher anzunehmen, dass Wasser eine Standarddichte von 1000 Kilogramm / Meter hat. Es sei denn, Sie verwenden Salzwasser oder eine andere Flüssigkeit vollständig, haben die meisten Wassertypen eine Dichte, die an diesem Referenzwert nahe genug ist, dass ein kleinerer Unterschied unsere Ergebnisse nicht ändert.

Wenn Sie einen Eyepipper-Handy haben, kann dies sehr hilfreich sein, um das Wasser in den Innenbehälter genau abzuheben.

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3. Ein kleines Objekt tauchen. Als nächstes finden Sie ein kleines Objekt, das in den Innenbehälter passen und nicht durch Wasser beschädigt wird. Finden Sie die Masse dieses Objekts in Kilogramm (Möglicherweise möchten Sie eine Skala oder ein Gleichgewicht verwenden, die Ihnen Gramm geben und bis zu Kilogramm umwandeln können). Da dann, ohne die Finger nass zu lassen, langsam und stetig in das Wasser eintauchen, bis es anfängt zu schweben oder Sie können nur kaum daran festhalten, dann loslassen. Sie sollten einiges des Wassers in dem inneren Behälter bemerken, der über die Kante in den Außenbehälter verschüttet wird.

Sagen wir zum Zwecke unseres Beispiels, dass wir ein Spielzeugauto mit einer Masse von 0 senken.05 Kilogramm in den Innenbehälter. Wir müssen das Volumen dieses Autos nicht kennen, um seinen Auftrieb zu berechnen, wie wir im nächsten Schritt sehen werden.

Bildtitel Berechnen Sie den Auftriebssystem 10

4. Sammeln und messen Sie das Wasser, das überschritten ist. Wenn Sie ein Objekt in Wasser eintauchen, verdrängt es etwas Wasser - wenn dies nicht der Fall ist, würde es keinen Platz dafür geben, dass es das Wasser betreten würde. Wenn es dieses Wasser aus dem Weg drückt, drückt das Wasser zurück, was zu einem Auftrieb führt. Nehmen Sie das Wasser, das aus dem inneren Behälter verschüttet und in einen kleinen Glasmesscup gießen.Das Wasservolumen in der Tasse sollte dem Volumen des untergetauchten Objekts gleich sein.

Mit anderen Worten, wenn Ihr Objekt schwimmt, ist das Volumen des Wassers, das überschritten ist, dass der Volumen des unter der Oberfläche des Wassers untergetauchten Objekts entspricht. Wenn Ihr Objekt sank, ist das Volumen des Wassers, das übergegangen ist, dem Volumen des gesamten Objekts entspricht.

Bild mit dem Titel Berechnen Sie Auftriebsstufe 11

5. Berechnen Sie das Gewicht des verschütteten Wassers. Da Sie die Dichte des Wassers kennen und Sie das Volumen des Wassers messen können, das in den Messbecher verschüttet wird, können Sie seine Masse finden. Konvertieren Sie einfach das Volumen in Meter (ein Online-Konvertierungswerkzeug, wie z Dieses hier, kann hier hilfreich sein) und multiplizieren Sie es durch die Dichte des Wassers (1.000 Kilogramm / Meter).

Lassen Sie uns in unserem Beispiel sagen, dass unser Spielzeugauto in den inneren Behälter verseilt und um zwei Esslöffel verdrängt wird (.00003 Meter). Um die Masse unseres Wassers zu finden, würden wir uns dies durch seine Dichte multiplizieren: 1.000 Kilogramm / Meter × .00003 Meter = 0.03 Kilogramm.

Bildtitel Berechnen Sie den Auftriebssystem 12

6. Vergleichen Sie die Masse des vertriebenen Wassers auf die Masse des Objekts. Jetzt wissen Sie, dass Sie die Masse von beiden Objekten kennen, die Sie in Wasser eingetaucht haben, und die Masse des Wassers, das es vertrieben hat, vergleiche sie, um zu sehen, was größer ist. Wenn die Masse des in den Innenbehälter eingetauchten Objekts größer ist als das des versetzten Wassers, sollte es versunken sein. Wenn dagegen die Masse des verdrängten Wassers größer ist, sollte das Objekt schweben sollen. Dies ist das Prinzip des Auftriebs in Aktion - für ein Objekt, das für ein Auftrieb (Float) ist, muss er eine Menge Wasser mit einer Masse verdrängen, die größer ist als das des Objekts selbst.

Somit sind Gegenstände mit niedrigen Massen, aber große Bände sind die schwebenden Arten von Objekten. Diese Eigenschaft bedeutet, dass Hohlobjekte besonders lebhaft sind. Denken Sie an ein Kanu - es schwebt gut, weil es innen hohl ist, so dass es in der Lage ist, viel Wasser zu verdrängen, ohne eine sehr hohe Masse zu haben. Wenn Kanus solide waren, würden sie überhaupt nicht sehr gut schweben.

In unserem Beispiel hat das Auto eine höhere Masse (0.05 Kilogramm) als das Wasser, das es vertrieben hat (0.03 Kilogramm). Diese Zeilen ist mit dem, was wir beobachtet haben: das Auto sank.