Opdrift: Definition, årsager, formel og eksempler

Uden den kraftige styrke kunne fisk ikke svømme, både kunne ikke flyde, og dine drømme om at flyve væk med en håndfuld heliumballoner ville være endnu mere umulige. For at forstå denne kraft i detaljer skal du først forstå, hvad der definerer en væske, og hvad tryk og densitet er.

I dine daglige samtaler bruger du sandsynligvis ordenevæskeogvæskeomskifteligt. Imidlertid er der en forskel i fysik. Væske er en bestemt tilstand af stof defineret af et konstant volumen og evne til at ændre form til at strømme eller passe i bunden af ​​en beholder.

En væske er en type væske, men væsker defineres bredere som et stof, der ikke har nogen fast form, og som kan strømme. Som sådan inkluderer den både væsker og gasser.

Densitet er et mål for masse pr. Volumenhed. Antag at du har en kubikbeholder, 1 meter på hver side. Denne containers volumen ville være 1 m × 1 m × 1 m = 1 m³. Antag nu, at du fylder denne beholder med et bestemt stof - f.eks. Vand - og derefter måler, hvor meget den vejer i kg. (I dette tilfælde skal det være ca. 1.000 kg). Densiteten af ​​vandet er derefter 1000 kg / 1 m

Densitet er i det væsentlige et mål for, hvor tæt koncentreret sagen er i et stof. En gas kan gøres mere tæt ved at komprimere den. Væsker komprimerer ikke så let, men små tæthedsforskelle i dem kan genereres på en lignende måde.

Hvad har tæthed nu at gøre med opdrift? Det vil blive tydeligere, når du læser videre; dog overvej nu forskellen mellem tætheden af ​​luft og vandtætheden, og hvor let du "flyder" (eller ikke) i hver. Et hurtigt tankeeksperiment, og det bør være indlysende, at tættere væsker vil udøve større opdriftskræfter.

Tryk defineres som kraft pr. Arealeenhed. Ligesom massefylde var et mål for hvor tæt pakket emnet var, er tryk et mål for hvor koncentreret en kraft er. Overvej hvad der sker, hvis nogen træder på din bare fod med en sneaker, versus hvis de træder på din bare fod med hælen på en stilfuld pumpe. I begge tilfælde udøves den samme kraft; højhælede sko forårsager dog meget mere smerte. Det skyldes, at kraften er koncentreret på et meget mindre område, så trykket er meget større.

Det samme princip ligger til grund for, at skarpe knive skærer bedre end kedelige - når en kniv er skarp, kan den samme kraft påføres et meget mindre overfladeareal, hvilket medfører meget større tryk, når Brugt.

Har du nogensinde set billeder af nogen, der hviler på en negleseng? Grunden til at de kan gøre dette uden smerte er, at kraften fordeles over alle neglene i modsætning til en enkelt, hvilket ville få neglen til at punktere din hud!

Hvad har denne idé med tryk at gøre med væsker? Antag at du har en kop fyldt med vand. Hvis du stikker et hul i siden af ​​koppen, begynder vandet at strømme ud med en indledende vandret hastighed. Det vil falde i en bue ligesom et vandret lanceret projektil. Dette kunne kun ske, hvis en vandret kraft skubbede væsken sidelæns ud. Denne kraft er et resultat af det indre tryk i væsken.

Alle væsker har internt tryk, men hvor kommer det fra? Væsker består af mange små atomer eller molekyler, der alle bevæger sig rundt og støder konstant på hinanden. Hvis de støder ind i hinanden, støder de bestemt også på siderne af enhver container, de er i, derfor skubber denne sidelæns kraft vandet i koppen ud af hullet.

Enhver genstand nedsænket i en væske vil mærke styrken af ​​disse molekyler bumpe rundt. Da den samlede kraft afhænger af overfladearealet, der er i kontakt med væsken, er det fornuftigt at tale om denne kraft i form af tryk i stedet - som en kraft pr. arealenhed - så du kan tale om det uafhængigt af ethvert objekt, det måtte virke på.

Bemærk, at den kraft, som en væske udøver på siderne af beholderen eller på en nedsænket genstand, afhænger af væsken, der ligger over den. Du kan forestille dig, at vandet i koppen over hullet presser ned på vandet under det på grund af tyngdekraften. Dette bidrager til trykket i væsken. Som et resultat af dette stiger ikke overraskende et væsketryk med dybden. Det skyldes, at jo dybere du går, jo mere væske sidder oven på dig og vejer dig ned.

Forestil dig at ligge i bunden af ​​en swimmingpool. Overvej den store vægt af vandet over dig. På land ville den mængde masse knuse dig helt, men under vandet gør den det ikke. Hvorfor er det?

Nå, det skyldes også pres. Trykket fra vandet, der er omkring dig, bidrager til at "holde" vandet over dig. Men også, du har dit eget interne pres. Da vandet lægger et pres på dig, anvender din krop et udadgående tryk, der forhindrer dig i at implodere.

Den flydende kraft er en netto opadgående kraft på en genstand i en væske på grund af væskets tryk. Den kraftige kraft er grunden til, at nogle genstande flyder, og alle genstande falder langsommere, når de falder i en væske. Det er også grunden til, at heliumballoner flyder i luften.

Da trykket i en væske afhænger af dybden, vil trykket på bunden af ​​en nedsænket genstand altid være lidt større end trykket på toppen af ​​en nedsænket genstand. Denne trykforskel resulterer i en netto opadgående kraft.

Men hvor stor er denne opadgående kraft, og hvordan kan den måles? Det er her Archimedes 'princip spiller ind.

Archimedes 'princip (opkaldt efter den græske matematiker Archimedes) siger, at for en genstand i en væske svarer den flydende kraft til vægten af ​​den fortrængte væske.

Forestil dig en nedsænket terning med sidelængdeL. Ethvert tryk på terningens sider annulleres med den modsatte side. Nettokraften på grund af væsken vil derefter være forskellen i tryk mellem top og bund ganget medL​², området med en terningflade.

Trykket i dybdender givet af:

hvorρer væsketætheden ogger accelerationen på grund af tyngdekraften. Nettokraften er så

Godt,L​³ er objektets volumen. Kubens volumen ganget med densiteten af ​​væsken svarer til massen af ​​væsken forskudt af terningen. Multiplicerer medggør det til en vægt (kraft på grund af tyngdekraften).

En genstand i en væske, såsom en neddykket sten eller en flydende båd, vil føle en opadgående kraft, men også en nedadgående tyngdekraft og muligvis en normal kraft på grund af beholderens bund og endda andre kræfter som godt.

Nettokraften på objektet er vektorsummen af ​​alle disse kræfter og bestemmer de objekter, der resulterer i bevægelse (eller mangel på dem). Hvis en genstand flyder, skal den have en nettokraft på 0, hvorfor kraften på den på grund af tyngdekraften nøjagtigt annulleres af den flydende kraft.

Et objekt, der synker, vil have en netto nedadgående kraft på grund af tyngdekraften, der er stærkere end den flydende kraft på objektet. Og et objekt i ro i bunden af ​​en væske vil få tyngdekraften modvirket af en kombination af den kraftige kraft og den normale kraft.

En konsekvens af Archimedes 'princip er, at hvis objektets tæthed er mindre end væskens tæthed, flyder objektet i væsken. Dette skyldes, at vægten af ​​væsken, den er i stand til at fortrænge, ​​hvis den er fuldt nedsænket, ville være større end dens egen vægt.

Faktisk for en fuldt nedsænket genstand ville vægten af ​​fortrængt væske være større end tyngdekraften resultere i en netto opadgående kraft, der sender objektet til overfladen.

Når det er hvile på overfladen, vil objektet kun synke dybt nok ned i væsken, indtil det har fortrængt en mængde svarende til sin egen masse. Dette er grunden til, at flydende objekter generelt kun er delvist nedsænket, og jo mindre tæt de er, jo mindre er den brøkdel, der ender med at blive nedsænket. (Overvej hvor højt et stykke isopor flyder i vand versus et stykke træ.)

Hvis objektets tæthed er mere end væskens tæthed, synker objektet i væsken. Vægten af ​​vand, der fortrænges af den fuldt nedsænkede genstand, er mindre end genstandens vægt, hvilket resulterer i en netto nedadgående kraft.

Objektet falder dog ikke så hurtigt som det ville gennem luften. Nettokraften bestemmer accelerationen.

Et objekt med samme tæthed som en bestemt væske betragtes som neutral opdrift. Når objektet er helt nedsænket, er opdriftskraften og tyngdekraften ens uanset hvilken dybde objektet er ophængt i. Som et resultat forbliver et neutralt flydende objekt, hvor det er sat i væsken.

​Eksempel 1:Antag en 0,5 kg sten med densitet 3,2 g / cm³ er nedsænket i vand. Med hvilken acceleration falder det gennem vandet?

​Opløsning:Der er to konkurrerende kræfter, der handler på klippen. Den første er tyngdekraften, der virker nedad med en størrelsesorden

Den anden er den flydende kraft, der svarer til vægten af ​​det fortrængte vand.

For at bestemme vægten af ​​fortrængt vand skal du finde klippens volumen (dette svarer til volumenet af forskudt vand). Fordi tæthed = masse / volumen, så er volumen = masse / tæthed = 500 / 3,2 = 156,25 cm³. Multiplikation med vandtæthed giver massen af ​​fortrængt vand: 156,25 × 1 = 156,25 g eller 0,155625 kg. Så den kraftige kraft, der virker i opadgående retning, har en styrke påF_b= 1,53 N.

Nettokraften er derefter 4,9 - 1,53 = 3,37 N i retning nedad. Ved hjælp af Newtons anden lov kan du finde accelerationen:

​Eksempel 2:Helium i en heliumballon har en densitet på 0,2 kg / m³. Hvis volumenet af en oppustet heliumballon er 0,03 m³ og latexen af ​​selve ballonen vejer 3,5 g, med hvilken acceleration flyder den opad, når den frigøres fra havets overflade?

​Opløsning:Ligesom med klippen i vand-eksemplet er der to konkurrerende kræfter: tyngdekraften og den kraftige kraft. For at bestemme tyngdekraften på ballonen skal du først finde den samlede masse. Ballonens masse er massefylde af helium × volumen af ​​ballon + 0,0035 kg = 0,2 × 0,03 + 0,0035 = 0,0095 kg. Derfor er tyngdekraften F_g = 0,0095 × 9,8 = 0,0931 N.

Den kraftige kraft vil være massen af ​​fortrængt luft gange accelerationen på grund af tyngdekraften.

Så nettokraften på ballonen er F_net = 0,36 - 0,0931 = 0,267 N. Så ballonens opadgående acceleration er