Vztlaková sila je sila opačná k gravitácii, ktorá ovplyvňuje všetky objekty ponorené do tekutiny. Keď je predmet umiestnený do tekutiny, hmota predmetu tlačí na tekutinu (kvapalinu alebo plyn), zatiaľ čo vztlaková sila tlačí predmet proti gravitácii. Vo všeobecnosti možno túto vztlakovú silu vypočítať podľa rovnice Fa = Vt × × g, s F.a je vztlaková sila, Vt je objem ponoreného predmetu, je hustota tekutiny a g je gravitačná sila. Ak sa chcete dozvedieť, ako určiť vztlak objektu, na začiatku si pozrite krok 1 nižšie.
Krok
Metóda 1 z 2: Použitie rovnice vztlaku
Krok 1. Nájdite objem ponorenej časti objektu
Vztlaková sila pôsobiaca na predmet je úmerná objemu ponoreného predmetu. Inými slovami, čím väčšia je ponorená pevná časť predmetu, tým väčšia je vznášajúca sa sila pôsobiaca na predmet. To znamená, že predmety, ktoré sú ponorené do kvapaliny, majú vztlakovú silu, ktorá tlačí predmet hore. Na začiatku výpočtu vztlakovej sily pôsobiacej na predmet je vašim prvým krokom zvyčajne stanovenie objemu predmetu ponoreného do tekutiny. Pre rovnicu vztlaku by táto hodnota mala byť v metroch3.
- V prípade predmetu úplne ponoreného do tekutiny je ponorený objem rovný objemu samotného predmetu. Pri objektoch, ktoré plávajú nad povrchom tekutiny, sa počíta iba objem pod povrchom.
- Predpokladajme napríklad, že chceme nájsť vztlakovú silu pôsobiacu na gumovú guľu plávajúcu na vode. Ak je gumová guľa dokonalá guľa s priemerom 1 m a pláva s polovicou ponorenou pod vodou, nájdeme objem ponorenej časti tak, že zistíme celkový objem gule a vydelíme dvoma. Pretože objem gule je (4/3) (polomer)3, vieme, že objem našej gule je (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metra3. 0, 524/2 = 0,262 metra3 drez.
Krok 2. Nájdite hustotu svojej tekutiny
Ďalším krokom v procese zisťovania vztlaku je definovanie hustoty (v kilogramoch/meter3) tekutiny, do ktorej je predmet ponorený. Hustota je meranie hmotnosti predmetu alebo látky v pomere k jeho objemu. Ak dostaneme dva objekty s rovnakým objemom, predmet s väčšou hustotou bude mať väčšiu hmotnosť. Podľa pravidla platí, že čím väčšia je hustota tekutiny, do ktorej je predmet ponorený, tým väčšia je vztlaková sila. Pri tekutinách je najľahším spôsobom, ako určiť hustotu, jednoducho ich vyhľadanie v referenčnom materiáli.
- V našom prípade naša lopta pláva vo vode. Ak sa pozrieme do akademických zdrojov, zistíme, že hustota vody je asi 1 %. 1 000 kilogramov/meter3.
- Ďalšie široko používané hustoty tekutín sú uvedené v technických zdrojoch. Jeden zo zoznamov nájdete tu.
Krok 3. Nájdite gravitačnú silu (alebo inú silu smerujúcu nadol)
Bez ohľadu na to, či sa predmet potápa alebo pláva v kvapaline, má vždy gravitačnú silu. V skutočnom svete je silová konštanta smerom nadol rovná 9,81 newtonov/kilogram. V situáciách, keď na kvapalinu a predmet ponorený do nej pôsobia iné sily, ako napríklad odstredivá sila, je však potrebné túto silu vziať do úvahy aj pri určovaní čistej sily smerom nadol pre celý systém.
- V našom prípade pracujeme s bežným, statickým systémom, takže môžeme predpokladať, že jedinou silou smerujúcou nadol na tekutiny a objekty je všeobecná gravitačná sila - 9,81 newtonov/kilogram.
- Čo však v prípade, že sa naša loptička, ktorá pláva vo vedre s vodou, švihne vysokou rýchlosťou v kruhu v horizontálnom smere? V tomto prípade za predpokladu, že sa vedro otáča dostatočne rýchlo, aby sa voda a loptička nerozliali, sila smerujúca nadol v tejto situácii bude odvodená od odstredivej sily vytvorenej švihnutím vedra, nie od gravitácie Zeme.
Krok 4. Vynásobte objem × hustotu × gravitáciu
Ak máte hodnotu objemu vášho objektu (v metroch3), hustota vašej tekutiny (v kilogramoch/meter3) a gravitačnou silou (silou smerom dole vo vašom systéme), takže nájsť vztlak je veľmi jednoduché. Stačí vynásobiť tieto tri hodnoty, aby ste našli vztlakovú silu v newtonoch.
Vyriešime náš príkladový problém vložením našich hodnôt do rovnice Fa = Vt × × g. Fa = 0,262 metra3 × 1 000 kilogramov/meter3 × 9,81 newtonov/kilogram = 2 570 newtonov.
Krok 5. Porovnajte vztlak s gravitačnou silou, či váš predmet pláva
Pomocou vztlakovej rovnice je ľahké nájsť silu, ktorá tlačí predmet hore a von z tekutiny. Pri troche úsilia navyše je však možné určiť, či sa predmet bude vznášať alebo potápať. Stačí nájsť plávajúcu silu pre celý objekt (inými slovami, použite celý objem na hodnotu Vt), potom nájdite gravitačnú silu, ktorá ju tlačí nadol, pomocou rovnice G = (hmotnosť objektu) (9,81 metra/s2). Ak je vztlaková sila väčšia ako gravitačná sila, predmet bude plávať. Na druhej strane, ak je gravitačná sila väčšia ako vztlaková sila, predmet sa potopí. Ak sú veľkosti rovnaké, objekt údajne pláva.
-
Povedzme napríklad, že chceme vedieť, či vo vode bude plávať drevený valcový sud s hmotnosťou 20 kilogramov a priemerom 0,75 m a výškou 1,25 m. Tento problém bude zahŕňať niekoľko krokov:
- Objem nájdeme podľa vzorca pre objem valca V = (polomer)2(vysoký). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metra3.
- Ďalej, za predpokladu, že gravitácia je obyčajná a veľkosti vody bežnej hustoty, nájdeme vztlakovú silu suda. 0,55 metra3 × 1 000 kilogramov/meter3 × 9,81 newtonov/kilogram = 5 395, 5 newtonov.
- Teraz musíme nájsť gravitačnú silu hlavne. G = (20 kg) (9,81 metra/sekundu2) = 196,2 newtonov. Táto sila je menšia ako vztlaková sila, takže hlaveň bude plávať.
Krok 6. Ak je vašou tekutinou plyn, použite rovnaký prístup
Pri práci na problémoch so vztlakom nezabúdajte, že tekutina, do ktorej je predmet ponorený, nemusí byť kvapalina. Plyny sú tiež tekutiny, a hoci majú plyny v porovnaní s inými látkami veľmi nízku hustotu, stále môžu podporovať určité masy predmetov plávajúcich v plyne. Jednoduchý héliový balón je toho dôkazom. Pretože plyn v balóne je menej hustý ako okolitá tekutina (okolitý vzduch), balón pláva!
Metóda 2 z 2: Vykonanie jednoduchého experimentu s plávaním
Krok 1. Do väčšej misky vložte malú misku alebo pohár
Pri niektorých veciach do domácnosti je ľahké experimentovať s princípmi vztlaku! V tomto jednoduchom experimente ukážeme, že ponorený predmet zažíva vztlakovú silu, pretože vytláča objem tekutiny rovnajúci sa objemu ponoreného predmetu. Keď to robíme, ukážeme tiež praktický spôsob, ako pomocou tohto experimentu nájsť vztlakovú silu objektu. Na začiatok umiestnite malú otvorenú nádobu, napríklad misku alebo pohár, do väčšej nádoby, napríklad do veľkej misy alebo vedra.
Krok 2. Naplňte malú nádobu po okraj
Ďalej naplňte menšiu vnútornú nádobu vodou. Chcete, aby bola voda tak vysoká ako nádoba, a aby sa nerozliala. Tu buďte opatrní! Ak vylejete vodu, vyprázdnite väčšiu nádobu a potom to skúste znova.
- Na účely tohto experimentu je v poriadku predpokladať, že voda má všeobecnú hustotu 1 000 kilogramov/meter3. Pokiaľ nepoužívate morskú vodu alebo úplne inú kvapalinu, väčšina typov vody má takmer rovnakú hustotu ako táto referenčná hodnota, takže malý rozdiel naše výsledky nezmení.
- Ak máte očné kvapky, môže to byť veľmi užitočné pri zvyšovaní hladiny vody v malom kontajneri.
Krok 3. Ponorte malý predmet
Ďalej vyhľadajte malý predmet, ktorý sa zmestí do malej nádoby a nepoškodí ho voda. Nájdite hmotnosť tohto objektu v kilogramoch (možno budete chcieť použiť váhu alebo váhu, ktorá môže zabrať gramy a previesť ich na kilogramy). Potom, bez toho, aby ste si namočili prsty, pomaly, ale isto, namáčajte predmet do vody, kým nezačne plávať, alebo ho môžete mierne podržať a potom pustiť. Všimnete si, že časť vody v malej nádobe sa rozleje do vonkajšej nádoby.
Na účely nášho príkladu predpokladajme, že ponoríme autíčko s hmotnosťou 0,05 kilogramu do malého kontajnera. Na výpočet jeho vztlaku nepotrebujeme poznať objem tohto auta, pretože to uvidíme v nasledujúcom kroku
Krok 4. Zozbierajte a spočítajte rozliatu vodu
Keď ponoríte predmet do vody, vytlačí časť vody - inak nebude kam predmet do vody vložiť. Keď predmet vytlačí vodu von, voda sa odtlačí späť a vytvorí vztlakovú silu. Vylejte rozliatu vodu z malej nádoby a nalejte ju do malej odmerky. Objem vody v odmerke sa rovná objemu ponoreného predmetu.
Inými slovami, ak váš predmet pláva, objem vody, ktorý sa vyleje, sa bude rovnať objemu predmetu, ktorý je ponorený pod hladinu vody. Ak sa váš predmet potopí, objem vody, ktorý sa vyleje, sa rovná celkovému objemu predmetu
Krok 5. Vypočítajte hmotnosť rozliatej vody
Pretože poznáte hustotu vody a dokážete zmerať objem vody, ktorá sa vyleje v odmerke, nájdete jej hmotnosť. Stačí zmeniť hlasitosť na metre3 (online konverzné pomôcky, ako je táto, môžu pomôcť) a vynásobte ich hustotou vody (1 000 kilogramov/meter3).
V našom prípade predpokladajme, že sa naše autíčko ponorí do malého kontajnera a pohybuje sa okolo dvoch polievkových lyžíc (0,0003 metra3). Aby sme našli hmotnosť našej vody, vynásobíme ju jej hustotou: 1 000 kilogramov/meter3 × 0,0003 metra3 = 0,03 kilogramu.
Krok 6. Porovnajte hmotnosť rozliatej vody s hmotnosťou predmetu
Teraz, keď poznáte hmotnosť predmetu, ktorý ponoríte do vody, a hmotnosť vody, ktorá sa rozliala, porovnajte ich a zistite, ktorá hmotnosť je väčšia. Ak je hmotnosť predmetu ponoreného do malého kontajnera väčšia ako rozliata voda, predmet sa potopí. Na druhej strane, ak je hmotnosť rozliatej vody väčšia, predmet bude plávať. Toto je princíp vztlaku v experimente - aby predmet mohol plávať, musí vytlačiť množstvo vody s hmotnosťou väčšou, ako je hmotnosť samotného predmetu.
- Objekty s nízkou hmotnosťou, ale veľkým objemom sú typmi predmetov, ktoré plávajú najľahšie. Táto vlastnosť znamená, že duté predmety veľmi ľahko plávajú. Predstavte si kanoe - kanoe dobre pláva, pretože je vo vnútri duté, takže dokáže rozhýbať veľa vody bez toho, aby muselo mať veľkú hmotu. Ak kanoe nie je duté (pevné), potom kanoe nebude plávať správne.
- V našom prípade má auto väčšiu hmotnosť (0,05 kilogramu) ako rozliata voda (0,03 kilogramu). To súhlasí s tým, čo pozorujeme: autá sa potápajú.
