Flytförmåga: definition, orsaker, formel och exempel

Utan den kraftiga kraften kunde fisk inte simma, båtar kunde inte flyta och dina drömmar om att flyga iväg med en handfull heliumballonger skulle vara ännu mer omöjliga. För att förstå denna kraft i detalj måste du först förstå vad som definierar en vätska och vad tryck och densitet är.

I dina dagliga konversationer använder du troligen ordenvätskaochflytandeutbytbart. Men i fysik finns det en skillnad. Vätska är ett speciellt tillstånd av materia som definieras av en konstant volym och förmåga att ändra form för att flöda eller passa botten av en behållare.

En vätska är en typ av vätska, men vätskor definieras bredare som ett ämne som inte har någon fast form och som kan flöda. Som sådan innehåller den både vätskor och gaser.

Densitet är ett mått på massa per volymenhet. Antag att du har en kubikbehållare, 1 meter på varje sida. Volymen på denna behållare skulle vara 1 m × 1 m × 1 m = 1 m³. Antag att du fyller den här behållaren med ett visst ämne - till exempel vatten - och sedan mäter hur mycket den väger i kilo. (I det här fallet bör det vara cirka 1000 kg). Densiteten hos vattnet är då 1000 kg / 1 m

Densitet är i huvudsak ett mått på hur tätt koncentrerat ämnet är i ett ämne. En gas kan göras tätare genom att komprimera den. Vätskor komprimerar inte lika lätt, men små densitetsskillnader i dem kan genereras på ett liknande sätt.

Vad har densitet nu att göra med flytkraft? Det kommer att bli tydligare när du läser vidare; men för nu, överväga skillnaden mellan luftens densitet och vattentätheten och hur lätt du "flyter" (eller inte) i var och en. Ett snabbt tankeexperiment och det borde vara uppenbart att tätare vätskor kommer att utöva större flytkrafter.

Tryck definieras som kraft per ytenhet. Precis som massdensiteten var ett mått på hur tätt packat ämnet var, är tryck ett mått på hur koncentrerad en kraft är. Tänk på vad som händer om någon trampar på din bara fot med en sneaker, kontra om de trampar på din bara fot med hälen på en snygg pump. I båda fallen utövas samma kraft; den högklackade skon orsakar dock mycket mer smärta. Det beror på att kraften är koncentrerad till ett mycket mindre område, så trycket är mycket större.

Samma princip ligger till grund för skarpa knivar som skär bättre än tråkiga - när en kniv är skarp kan samma kraft appliceras på en mycket mindre yta, vilket orsakar mycket större tryck när Begagnade.

Har du någonsin sett bilder av någon som vilar på en nagelsäng? Anledningen till att de kan göra detta utan smärta är att kraften fördelas över alla naglar, i motsats till en enda, vilket skulle få nageln att punktera din hud!

Vad har den här tanken med tryck att göra med vätskor? Antag att du har en kopp fylld med vatten. Om du sticker ett hål i koppens sida, kommer vattnet att rinna ut med en initial horisontell hastighet. Det kommer att falla i en båge ungefär som en horisontellt lanserad projektil. Detta kunde bara hända om en horisontell kraft pressade vätskan i sidled. Denna kraft är ett resultat av vätskans inre tryck.

Alla vätskor har inre tryck, men var kommer det ifrån? Vätskor består av massor av små atomer eller molekyler som alla rör sig och stöter på varandra hela tiden. Om de stöter på varandra stöter de säkert också på sidorna på någon behållare de befinner sig i, följaktligen trycker den i sidled på att vattnet i koppen skjuter ut ur hålet.

Varje föremål nedsänkt i en vätska kommer att känna kraften hos dessa molekyler som stöter runt. Eftersom den totala mängden kraft beror på ytan som är i kontakt med vätskan är det vettigt att prata om denna kraft i termer av tryck istället - som en kraft per ytenhet - så att du kan prata om det oberoende av vilket föremål som helst på.

Observera att kraften som en vätska utövar på sidorna av behållaren eller på ett nedsänkt föremål beror på vätskan som ligger ovanför den. Du kan föreställa dig att vattnet i koppen ovanför hålet trycker ner på vattnet under det på grund av tyngdkraften. Detta bidrar till trycket i vätskan. Som ett resultat av detta ökar inte överraskande ett flytande tryck med djupet. Det beror på att ju djupare du går desto mer flytande sitter ovanpå dig och tynger dig.

Tänk dig att du ligger längst ner i en pool. Tänk på den stora vikten av vattnet ovanför dig. På land skulle den massan av massa krossa dig helt, men under vattnet gör den det inte. Varför är detta?

Det beror också på tryck. Trycket från vattnet som finns runt dig bidrar till att "hålla upp" vattnet ovanför dig. Men också, du har ditt eget interna tryck. När vattnet trycker på dig, applicerar din kropp ett yttre tryck som hindrar dig från att implodera.

Den flytande kraften är en nettokraft uppåt på ett föremål i en vätska på grund av vätskans tryck. Den flytande kraften är anledningen till att vissa föremål flyter och alla föremål faller långsammare när de tappas i en vätska. Det är också varför heliumballonger flyter i luften.

Eftersom trycket i en vätska beror på djupet kommer trycket på botten av ett nedsänkt föremål alltid att vara något större än trycket på toppen av ett nedsänkt föremål. Denna tryckdifferens resulterar i en netto uppåtgående kraft.

Men hur stor är denna uppåtgående kraft och hur kan den mätas? Det är här Archimedes princip spelar in.

Archimedes princip (namngiven efter den grekiska matematikern Archimedes) säger att för ett objekt i en vätska är den flytande kraften lika med vikten på den förskjutna vätskan.

Föreställ dig en nedsänkt kub med sidolängdL. Varje tryck på kubens sidor kommer att avbrytas med motsatt sida. Nettokraften på grund av vätskan kommer då att vara skillnaden i tryck mellan topp och botten multiplicerat medL​², området för en kub ansikte.

Trycket på djupetdges av:

varρär vätskedensiteten ochgär accelerationen på grund av tyngdkraften. Nettokraften är då

Väl,L​³ är objektets volym. Kubens volym multiplicerat med vätskans densitet motsvarar massan av vätskan som förskjutits av kuben. Multiplicera medggör det till en vikt (kraft på grund av tyngdkraften).

Ett föremål i en vätska, såsom en nedsänkt sten eller en flytande båt, kommer att känna en uppåtriktad kraft, men också en gravitationskraft nedåt och eventuellt en normal kraft på grund av behållarens botten, och till och med andra krafter som väl.

Nettokraften på objektet är vektorsumman av alla dessa krafter och kommer att bestämma de objekt som resulterar i rörelse (eller brist på dem). Om ett föremål flyter måste det ha en nettokraft på 0, varför kraften på det på grund av tyngdkraften exakt upphävs av den flytande kraften.

Ett föremål som sjunker kommer att ha en netto nedåtgående kraft på grund av att tyngdkraften är starkare än den flytande kraften på objektet. Och ett föremål i vila i botten av en vätska kommer att få tyngdkraften motverkad av en kombination av den flytande kraften och den normala kraften.

En konsekvens av Archimedes princip är att om objektets densitet är mindre än vätskans densitet, flyter objektet i vätskan. Detta beror på att vätskans vikt som den kan förskjuta om den är helt nedsänkt skulle vara större än dess egen vikt.

Faktum är att för ett helt nedsänkt föremål skulle vikten på den förskjutna vätskan vara större än tyngdkraften resultera i en nettokraft uppåt, som skickar objektet till ytan.

En gång i vila på ytan kommer objektet bara att sjunka tillräckligt djupt in i vätskan tills det har förskjutit en mängd motsvarande sin egen massa. Det är därför flytande föremål i allmänhet bara delvis är nedsänkta, och ju mindre täta de är, desto mindre är den bråkdel som hamnar under vatten. (Tänk på hur hög en bit isopor flyter i vatten kontra en bit trä.)

Om objektets densitet är mer än vätskans densitet, sjunker objektet i den vätskan. Vikten av vatten som förskjuts av det helt nedsänkta föremålet är mindre än föremålets vikt, vilket resulterar i en netto nedåtgående kraft.

Objektet faller dock inte så snabbt som det skulle genom luften. Nettokraften bestämmer accelerationen.

Ett föremål med samma densitet som en viss vätska anses vara neutralt flytande. När objektet är helt nedsänkt är flytkraften och tyngdkraften lika oavsett vilket djup objektet är upphängt på. Som ett resultat kommer ett neutralt flytande föremål att stanna där det är inställt i vätskan.

​Exempel 1:Antag att en 0,5 kg sten med densitet 3,2 g / cm³ är nedsänkt i vatten. Med vilken acceleration faller den genom vattnet?

​Lösning:Det finns två konkurrerande krafter som agerar på berget. Den första är tyngdkraften som verkar nedåt med en styrka av

Den andra är den flytande kraften, som är lika med vikten på det förskjutna vattnet.

För att bestämma vikten på det förskjutna vattnet måste du hitta bergets volym (detta motsvarar volymen på det förskjutna vattnet). Eftersom densitet = massa / volym, då volym = massa / densitet = 500 / 3,2 = 156,25 cm³. Att multiplicera detta med vattentätheten ger massan av det förskjutna vattnet: 156,25 × 1 = 156,25 g eller 0,155625 kg. Så den flytande kraften som verkar uppåt har en styrka avF_b= 1,53 N.

Nettokraften är då 4,9 - 1,53 = 3,37 N nedåt. Med Newtons andra lag kan du hitta accelerationen:

​Exempel 2:Helium i en heliumballong har en densitet på 0,2 kg / m³. Om volymen på en uppblåst heliumballong är 0,03 m³ och ballongens latex väger 3,5 g, med vilken acceleration flyter den uppåt när den släpps från havsnivån?

​Lösning:Precis som med exemplet berg i vatten finns det två konkurrerande krafter: gravitation och den flytande kraften. För att bestämma tyngdkraften på ballongen, hitta först den totala massan. Ballongens massa är densiteten av helium × ballongvolym + 0,0035 kg = 0,2 × 0,03 + 0,0035 = 0,0095 kg. Därav är tyngdkraften F_g = 0,0095 × 9,8 = 0,0931 N.

Den flytande kraften kommer att vara massan av fördriven luft gånger accelerationen på grund av tyngdkraften.

Så ballongens nettokraft är F_netto = 0,36 - 0,0931 = 0,267 N. Så ballongens uppåtgående acceleration är