Peldošais spēks ir gravitācijai pretējs spēks, kas ietekmē visus šķidrumā iegremdētos objektus. Kad objekts tiek ievietots šķidrumā, objekta masa spiež pret šķidrumu (šķidrumu vai gāzi), bet peldošais spēks spiež objektu pret smagumu. Kopumā šo peldošo spēku var aprēķināt pēc vienādojuma Fa = Vt × × g, ar F.a ir peldošais spēks, Vt ir iegremdētā objekta tilpums, šķidruma blīvums un g ir gravitācijas spēks. Lai uzzinātu, kā noteikt objekta peldspēju, skatiet 1. darbību, lai sāktu darbu.
Solis
1. metode no 2: peldspējas vienādojuma izmantošana
1. solis. Atrodiet objekta iegremdētās daļas tilpumu
Peldošais spēks, kas iedarbojas uz objektu, ir proporcionāls iegremdētā objekta tilpumam. Citiem vārdiem sakot, jo lielāka objekta iegremdētā cietā daļa, jo lielāks peldošais spēks iedarbojas uz objektu. Tas nozīmē, ka šķidrumā iegremdētiem objektiem piemīt peldošs spēks, kas spiež objektu uz augšu. Lai sāktu aprēķināt peldošo spēku, kas iedarbojas uz objektu, pirmais solis parasti ir noteikt šķidrumā iegremdētā objekta tilpumu. Peldspējas vienādojumam šai vērtībai jābūt metros3.
- Objektam, kas pilnībā iegremdēts šķidrumā, iegremdētais tilpums ir vienāds ar paša objekta tilpumu. Objektiem, kas peld virs šķidruma virsmas, tiek aprēķināts tikai tilpums zem virsmas.
- Piemēram, pieņemsim, ka vēlamies atrast peldošo spēku, kas iedarbojas uz gumijas bumbiņu, kas peld uz ūdens. Ja gumijas bumba ir perfekta sfēra ar 1 m diametru un peld ar pusi no tās, kas iegremdēta zem ūdens, mēs varam atrast iegremdētās daļas tilpumu, atrodot kopējo sfēras tilpumu un dalot ar diviem. Tā kā sfēras tilpums ir (4/3) (rādiuss)3, mēs zinām, ka mūsu sfēras tilpums ir (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metri3. 0, 524/2 = 0,262 metri3 izlietne.
2. solis. Atrodiet šķidruma blīvumu
Nākamais solis peldspējas noteikšanas procesā ir noteikt blīvumu (kilogramos/metrā)3) šķidrumā, kurā objekts ir iegremdēts. Blīvums ir objekta vai vielas masas mērījums attiecībā pret tā tilpumu. Ja tiek doti divi vienāda tilpuma objekti, tad objektam ar lielāku blīvumu būs lielāka masa. Saskaņā ar noteikumu, jo lielāks ir šķidruma blīvums, kurā objekts ir iegremdēts, jo lielāks ir peldošais spēks. Ar šķidrumiem parasti vienkāršākais veids, kā noteikt blīvumu, ir vienkārši to atrast atsauces materiālā.
- Mūsu piemērā mūsu bumba peld ūdenī. Aplūkojot akadēmiskos avotus, mēs varam konstatēt, ka ūdens blīvums ir apm. 1000 kilogrami/metrs3.
- Citi plaši izmantotie šķidruma blīvumi ir uzskaitīti inženierijas avotos. Viens no sarakstiem atrodams šeit.
Solis 3. Atrodiet gravitācijas spēku (vai kādu citu lejupvērstu spēku)
Neatkarīgi no tā, vai objekts nogrimst vai peld šķidrumā, tam vienmēr ir gravitācijas spēks. Reālajā pasaulē lejupvērstā spēka konstante ir vienāda ar 9,81 ņūtons/kilograms. Tomēr situācijās, kad citi spēki, piemēram, centrbēdzes spēks, iedarbojas uz šķidrumu un tajā iegremdēto priekšmetu, arī šis spēks ir jāņem vērā, lai noteiktu neto lejupvērsto spēku visai sistēmai.
- Mūsu piemērā mēs strādājam ar parastu, statisku sistēmu, tāpēc varam pieņemt, ka vienīgais lejupejošais spēks, kas iedarbojas uz šķidrumiem un priekšmetiem, ir vispārējais gravitācijas spēks - 9,81 ņūtons/kilograms.
- Tomēr ko darīt, ja mūsu bumba, kas peld ūdens spainī, lielā ātrumā tiek pagriezta pa apli horizontālā virzienā? Šajā gadījumā, pieņemot, ka spainis tiek pagriezts pietiekami ātri, lai ūdens un bumba neizšļakstītos, lejupvērstais spēks šajā situācijā tiks iegūts no centrbēdzes spēka, ko rada spaina šūpošanās, nevis no Zemes gravitācijas.
Solis 4. Reiziniet tilpumu × blīvumu × smagumu
Ja jums ir objekta tilpuma vērtība (metros3), šķidruma blīvumu (kilogramos/metrā)3) un gravitācijas spēku (lejupvērsto spēku jūsu sistēmā), tāpēc peldspēju ir ļoti viegli atrast. Vienkārši reiziniet šīs trīs vērtības, lai atrastu peldošo spēku ņūtonos.
Atrisināsim mūsu piemēra problēmu, pievienojot savas vērtības vienādojumam Fa = Vt × × g. Fa = 0,262 metri3 × 1000 kilogrami/metrs3 × 9,81 ņūtons/kilograms = 2570 ņūtoni.
Solis 5. Pārbaudiet, vai jūsu objekts peld, salīdzinot peldspēju ar gravitācijas spēku
Izmantojot peldspējas vienādojumu, ir viegli atrast spēku, kas izstumj priekšmetu uz augšu un ārā no šķidruma. Tomēr ar nelielu papildu piepūli ir iespējams noteikt, vai objekts peldēs vai nogrims. Vienkārši atrodiet visa objekta peldošo spēku (citiem vārdiem sakot, izmantojiet visu tilpumu V vērtībait), tad atrodiet gravitācijas spēku, kas to nospiež uz leju ar vienādojumu G = (objekta masa) (9,81 metri sekundē2). Ja peldošais spēks ir lielāks par gravitācijas spēku, objekts peldēs. No otras puses, ja gravitācijas spēks ir lielāks par peldošo spēku, objekts nogrims. Ja lielumi ir vienādi, tiek teikts, ka objekts peld.
-
Piemēram, teiksim, ka vēlamies uzzināt, vai ūdenī peldēs cilindriska koka muca, kuras masa ir 20 kilogrami un diametrs 0,75 m un augstums 1,25 m. Šai problēmai tiks izmantotas vairākas darbības:
- Tilpumu var atrast, izmantojot cilindra tilpuma formulu V = (rādiuss)2(garš). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metri3.
- Tālāk, pieņemot, ka gravitācijas lielums ir parasts un parasta blīvuma ūdens, mēs varam atrast mucas peldošo spēku. 0,55 metri3 × 1000 kilogrami/metrs3 × 9,81 ņūtons/kilograms = 5395, 5 ņūtoni.
- Tagad mums jāatrod mucas gravitācijas spēks. G = (20 kg) (9,81 metri sekundē2) = 196,2 ņūtoni. Šis spēks ir mazāks par peldošo spēku, tāpēc muca peldēs.
6. solis. Izmantojiet to pašu pieeju, ja jūsu šķidrums ir gāze
Strādājot pie peldspējas problēmām, neaizmirstiet, ka šķidrumam, kurā objekts ir iegremdēts, nav jābūt šķidrumam. Gāzes ir arī šķidrumi, un, lai gan gāzēm ir ļoti zems blīvums salīdzinājumā ar citām vielām, tās tomēr var izturēt noteiktas gāzē peldošu priekšmetu masas. Vienkāršs hēlija balons tam ir pierādījums. Tā kā balons ir mazāk blīvs nekā apkārtējais šķidrums (apkārtējais gaiss), balons peld!
2. metode no 2: vienkārša peldspējas eksperimenta veikšana
1. solis Ievietojiet nelielu bļodu vai krūzi lielākā bļodā
Izmantojot dažus mājsaimniecības priekšmetus, eksperimentā ir viegli saskatīt peldspējas principus! Šajā vienkāršajā eksperimentā mēs parādīsim, ka iegremdēts objekts piedzīvo peldošu spēku, jo tas izspiež šķidruma tilpumu, kas vienāds ar iegremdētā objekta tilpumu. To darot, mēs ar šo eksperimentu parādīsim arī praktisku veidu, kā atrast objekta peldošo spēku. Lai sāktu, ievietojiet nelielu, atvērtu trauku, piemēram, bļodu vai krūzi, lielākā traukā, piemēram, lielā bļodā vai spainī.
2. solis. Piepildiet mazo trauku līdz malām
Pēc tam piepildiet mazāko iekšējo trauku ar ūdeni. Jūs vēlaties, lai ūdens būtu tikpat augsts kā trauks, neizšļakstoties. Esi uzmanīgs šeit! Ja izlejat ūdeni, iztukšojiet lielāko trauku, pirms mēģināt vēlreiz.
- Šī eksperimenta nolūkā var pieņemt, ka ūdens kopējais blīvums ir 1000 kilogrami uz metru3. Ja vien neizmantojat jūras ūdeni vai pilnīgi citu šķidrumu, lielākajai daļai ūdens veidu ir gandrīz tāds pats blīvums kā šai atsauces vērtībai, tāpēc neliela atšķirība nemainīs mūsu rezultātus.
- Ja jums ir acu pilieni, tas var būt ļoti noderīgi, lai paaugstinātu ūdens līmeni nelielā traukā.
Solis 3. Iegremdējiet mazo objektu
Tālāk meklējiet nelielu priekšmetu, kas iederēsies nelielā traukā un netiks sabojāts ar ūdeni. Atrodiet šī objekta masu kilogramos (iespējams, vēlēsities izmantot skalu vai līdzsvaru, kas var paņemt gramus un pārvērst tos kilogramos). Pēc tam, nesamitrinot pirkstus, lēnām, bet pārliecinoši iemērciet priekšmetu ūdenī, līdz tas sāk peldēt, vai arī varat to nedaudz turēt un pēc tam atlaist. Jūs ievērosiet, ka daļa ūdens mazajā traukā izlīs ārējā traukā.
Piemēra nolūkos pieņemsim, ka mēs iegremdējam rotaļlietu ar 0,05 kilogramu masu nelielā traukā. Mums nav jāzina šīs automašīnas tilpums, lai aprēķinātu tās peldspēju, jo to redzēsim nākamajā solī
Solis 4. Savāc un saskaita izlijušo ūdeni
Iegremdējot priekšmetu ūdenī, tas izspiež daļu ūdens - pretējā gadījumā nebūs vietas, kur to ievietot ūdenī. Kad objekts izstumj ūdeni, ūdens atgrūžas, radot peldošu spēku. Izņemiet izlijušo ūdeni no neliela trauka un ielejiet to nelielā mērglāzē. Ūdens tilpums mērglāzē ir vienāds ar iegremdētā objekta tilpumu.
Citiem vārdiem sakot, ja jūsu objekts peld, izplūstošā ūdens tilpums būs vienāds ar objekta tilpumu, kas ir iegremdēts zem ūdens virsmas. Ja jūsu objekts grimst, izplūstošā ūdens tilpums ir vienāds ar objekta kopējo tilpumu
5. solis. Aprēķiniet izlijušā ūdens masu
Tā kā jūs zināt ūdens blīvumu un varat izmērīt ūdens daudzumu, kas izlijis mērglāzē, varat atrast tā masu. Vienkārši nomainiet skaļumu uz metriem3 (tiešsaistes reklāmguvumu palīglīdzekļi, piemēram, šis var palīdzēt) un reizināt ar ūdens blīvumu (1000 kilogrami uz metru3).
Mūsu piemērā pieņemsim, ka mūsu rotaļu automašīna iegrimst nelielā traukā un pārvietojas apmēram divas ēdamkarotes (0,0003 metri)3). Lai atrastu mūsu ūdens masu, mēs to reizināsim ar tā blīvumu: 1000 kilogrami/metrā3 × 0,0003 metri3 = 0,03 kilogrami.
6. solis. Salīdziniet izlijušā ūdens masu ar objekta masu
Tagad, kad jūs zināt ūdenī iegremdējamā objekta masu un izlijušā ūdens masu, salīdziniet tos, lai redzētu, kura masa ir lielāka. Ja nelielā traukā iegremdēta objekta masa ir lielāka par izlijušo ūdeni, objekts nogrims. No otras puses, ja izlijušā ūdens masa ir lielāka, objekts peldēs. Tas ir peldspējas princips eksperimentā - lai objekts varētu peldēt, tam ir jāizspiež ūdens daudzums ar masu, kas lielāka par paša objekta masu.
- Tādējādi objekti ar mazu masu, bet lielu tilpumu ir visvieglāk peldošie objekti. Šis īpašums nozīmē, ka dobie priekšmeti ļoti viegli peld. Iedomājieties kanoe laivu - kanoe labi peld, jo tā iekšpusē ir doba, tāpēc tā var pārvietot daudz ūdens bez lielas masas. Ja kanoe nav doba (cieta), tad kanoe pareizi nepeldēs.
- Mūsu piemērā automašīnai ir lielāka masa (0,05 kilogrami) nekā izlietajam ūdenim (0,03 kilogrami). Tas atbilst tam, ko mēs novērojam: automašīnas grimst.
