Come calcolare la spinta: 12 passaggi (con immagini) - Suggerimenti

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La spinta è la forza che agisce nella direzione opposta alla direzione della gravità che colpisce tutti gli oggetti immersi in un fluido. Quando un oggetto viene posto in un fluido, il suo peso spinge il fluido (liquido o gas), mentre la forza di galleggiamento spinge l'oggetto verso l'alto, agendo contro la gravità. In termini generali, questa forza può essere calcolata utilizzando l'equazione F_B = V_S × D × g, dove F_B è la forza di galleggiamento, V_S è il volume sommerso, D è la densità del fluido in cui l'oggetto è immerso e g è la forza di gravità. Per sapere come determinare la spinta dell'oggetto, vedere il passaggio 1 per iniziare.

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Metodo 1 di 2: utilizzo dell'equazione della forza di galleggiamento

Trova il volume della porzione sommersa dell'oggetto. La forza di galleggiamento che agisce su un oggetto è direttamente proporzionale al volume dell'oggetto che è sommerso. In altre parole, più solido è l'oggetto, maggiore è la forza di galleggiamento che agisce su di esso. Ciò significa che anche gli oggetti che affondano in un liquido hanno una forza che li spinge verso l'alto. Per iniziare a calcolare questa intensità, il primo passo è determinare il volume dell'oggetto immerso. Per l'equazione, questo valore deve essere in metri.
- Per gli oggetti che sono completamente immersi nel fluido, il volume sommerso è lo stesso dell'oggetto. Per coloro che stanno galleggiando sulla superficie del fluido, viene considerato solo il volume al di sotto della superficie.
- Ad esempio, supponiamo di voler trovare la forza di galleggiamento che agisce su una palla di gomma che galleggia nell'acqua. Se la palla è una sfera perfetta, del diametro di un metro, e galleggia a metà nell'acqua, possiamo trovare il volume della porzione sommersa trovando il volume totale della sfera e dividendolo per due. Poiché il volume della sfera è dato da (4/3) π (raggio), è noto che avremo un risultato di (4/3) π (0,5) = 0,524 metri. 0,524 / 2 = 0.262 metri sommersi.
Trova la densità del tuo fluido. Il passo successivo nel processo di ricerca della forza di galleggiamento è definire la densità (in chilogrammi / metro) di cui l'oggetto è immerso. La densità è una misura di un oggetto o il peso relativo della sostanza in volume. Dati due oggetti di uguale volume, quello con la densità più alta pesa di più. Di regola, maggiore è la densità del fluido, maggiore è la forza di galleggiamento che esercita. Con i fluidi, è generalmente più facile determinare la densità guardando i materiali di riferimento.
- Nel nostro esempio, la palla galleggia nell'acqua. Consultando una forza accademica, possiamo scoprire che la densità dell'acqua è circa 1000 chili / metro.
- Le densità di altri fluidi comuni sono elencate nelle fonti di ingegneria. Tale elenco può essere trovato qui.
Trova la forza di gravità (o un'altra forza verso il basso). Che l'oggetto fluttui o sia totalmente sommerso, è sempre soggetto alla forza di gravità. Nel mondo reale, questa forza costante è uguale a 9,81 Newton / kg. Tuttavia, in situazioni in cui un'altra forza, come la centrifuga, agisce su un fluido e l'oggetto sommerso, devono essere considerate anche per determinare la forza totale verso il basso.
- Nel nostro esempio, se abbiamo a che fare con un sistema ordinario e stazionario, possiamo presumere che l'unica forza che agisce verso il basso sia la forza di gravità sopra menzionata.
- Tuttavia, cosa succederebbe se la nostra palla galleggiasse in un secchio d'acqua, girando a grande velocità in un cerchio orizzontale? In questo caso, supponendo che il secchio giri abbastanza velocemente da garantire che sia l'acqua che la palla non cadano, la forza verso il basso in questa situazione deriverebbe dalla forza centrifuga creata dal movimento della benna, non dalla gravità della terra.
Moltiplica il volume × densità × gravità. Quando hai valori per il volume del tuo oggetto (in metri), la densità del tuo fluido (in chilogrammi / metro) e la forza di gravità (o la forza verso il basso del tuo sistema), trovare la forza di galleggiamento è facile. Basta moltiplicare queste tre quantità per trovare la forza in newton.
- Risolviamo il nostro esempio sostituendo i nostri valori nell'equazione F_B = V_S × D × g. F_B = 0,262 metri × 1000 kg / metro × 9,81 newton / chilo = 2570 Newton.
Scopri se il tuo oggetto galleggia confrontandolo con la forza di gravità. Utilizzando l'equazione della forza di galleggiamento, è facile trovare la forza che spinge un oggetto fuori dal fluido in cui è immerso. Tuttavia, con un po 'più di lavoro, puoi anche determinare se l'oggetto fluttuerà o affonderà. Trova semplicemente la forza di galleggiamento per l'oggetto (in altre parole, usa il suo intero volume come V_S), quindi trova la forza di gravità con l'equazione G = (massa dell'oggetto) (9,81 metri / secondo). Se la forza di galleggiamento è maggiore di quella della gravità, l'oggetto galleggerà. Ma se la forza di gravità è maggiore, affonderà. Se sono la stessa cosa, si dice che l'oggetto è "neutro".
- Ad esempio, supponiamo di voler sapere se una botte di legno cilindrica da 20 chilogrammi con un diametro di 0,75 metri e un'altezza di 1,25 metri, galleggerà nell'acqua. Ciò richiede alcuni passaggi:
  - Possiamo trovare il suo volume con la formula V = π (raggio) (altezza). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 metri.
  - Dopodiché, assumendo i valori di default per gravità e densità dell'acqua, possiamo determinare la forza di galleggiamento nella canna. 0,55 metri × 1000 kg / metro × 9,81 newton / chilo = 5395,5 Newton.
  - Ora, dobbiamo trovare la forza di gravità nella canna. G = (20 kg) (9,81 metri / secondo) = 196,2 Newton. È molto inferiore alla forza di galleggiamento, quindi la canna galleggerà.
Usa la stessa tecnica quando il tuo fluido è un gas. Quando risolvi i problemi di ripo, ricorda che il fluido non deve essere un liquido. Anche i gas sono considerati fluidi e, pur avendo densità inferiori rispetto ad altre tipologie di materiali, possono comunque sostenere il peso di alcuni oggetti. Un semplice pallone ad elio ne è la prova. Poiché il gas nel pallone è meno denso del fluido circostante, galleggia!

Metodo 2 di 2: esecuzione di un semplice esperimento di spinta

Metti una tazza o una ciotola piccola in un contenitore più grande. Con alcuni articoli per la casa, è facile vedere i principi dell'assetto in azione! In questo semplice esperimento, dimostreremo che un oggetto sommerso sperimenta galleggiabilità, poiché sposta un volume di fluido pari al volume dell'oggetto sommerso. Mentre lo facciamo, dimostriamo anche come trovare la forza di galleggiamento di un esperimento. Per iniziare, posiziona un contenitore piccolo, come una ciotola o una tazza, in un contenitore più grande, come una ciotola o un secchio più grande.
Riempi il contenitore dall'interno fino al bordo. Quindi, riempire il contenitore più grande con acqua. Vuoi che il livello dell'acqua sia oltre il bordo, senza ribaltarsi. Stai attento! In caso di fuoriuscita di acqua, svuotare il contenitore più grande prima di riprovare.
- Per questo esperimento, è lecito ritenere che l'acqua ha la densità dell'acqua ha un valore standard di 1000 kg / metro. A meno che non si utilizzi acqua salata o un liquido diverso, la maggior parte dei tipi di acqua ha una densità vicina al riferimento.
- Se hai un contagocce, può essere molto utile controllare il livello dell'acqua nel contenitore interno.
Immergi un piccolo oggetto. Ora, trova un piccolo oggetto che si adatti al contenitore interno e che non venga danneggiato dall'acqua. Trova la massa di questo oggetto in chilogrammi (usa una scala per questo). Quindi, senza bagnarsi le dita, immergere l'oggetto in acqua finché non inizia a galleggiare o non è più possibile tenerlo. Dovresti notare che l'acqua dal contenitore interno si riversa nel contenitore esterno.
- Ai fini del nostro esempio, supponiamo di posizionare un carrello giocattolo con una massa di 0,05 kg all'interno del contenitore interno. Non abbiamo bisogno di conoscere il volume dell'auto per calcolare la spinta, come vedremo in seguito.
Raccogli e misura l'acqua che hai versato. Quando si immerge un oggetto nell'acqua, si verifica uno spostamento dell'acqua; se così non fosse, non ci sarebbe spazio per lui per entrare in acqua. Quando spinge il liquido, l'acqua spinge indietro, provocando la spinta. Prendi l'acqua che hai versato e mettila in un misurino. Il volume d'acqua deve essere uguale a quello del volume sommerso.
- In altre parole, se il tuo oggetto galleggia, il volume di acqua che versi sarà uguale al volume dell'oggetto immerso nell'acqua. Se il tuo oggetto affonda, il volume di acqua che versa è uguale al volume dell'intero oggetto.
Calcola il peso dell'acqua versata. Poiché conosci la densità dell'acqua e puoi misurare il volume che è stato versato, puoi trovare la massa. Basta convertire il volume in metri (uno strumento di conversione online, come questo, può essere utile) e moltiplicarlo per la densità dell'acqua (1000 chili / metro).
- Nel nostro esempio, supponiamo che il nostro carrello sia affondato e si sia spostato di circa due cucchiai (0,00003 metri).Per trovare la massa dell'acqua, la moltiplichiamo per la sua densità: 1000 kg / metri × 0,00003 metri = 0,03 chili.
Confronta il volume spostato con la massa dell'oggetto. Ora che conosci la massa sommersa e la massa spostata, confrontale per vedere quale è più grande. Se la massa dell'oggetto sommerso nel contenitore interno è maggiore della massa d'acqua spostata, deve essere affondata. Ma se la massa d'acqua spostata è maggiore di, l'oggetto deve aver galleggiato. Questo è il principio della galleggiabilità; affinché un oggetto galleggi, deve spostare una massa d'acqua maggiore di quella dell'oggetto.
- Tuttavia, gli oggetti con masse inferiori ma volumi maggiori sono gli oggetti che galleggiano maggiormente. Questa proprietà significa che gli oggetti vuoti fluttuano. Pensa a una canoa; galleggia perché è cavo, quindi può muovere molta acqua, senza dover avere una grande massa. Se le canoe fossero solide, non galleggerebbero bene.
- Nel nostro esempio, l'auto ha una massa di 0,05 kg, maggiore dell'acqua spostata, 0,03 kg. Questo conferma il nostro risultato: l'auto affonda.