Calcolo della Galleggiabilità: 12 Passaggi (con Immagini)

Contenuto

Passi
- Metodo 1 di 2: Utilizzo dell`equazione della forza di galleggiamento
- Metodo 2 di 2: Un semplice esperimento di galleggiamento
Consigli
Necessità

La forza di galleggiamento è la forza opposta alla forza di gravità sugli oggetti in un liquido. Quando un oggetto viene posto in un liquido, il peso dell`oggetto spinge verso il basso sul liquido (liquido o gas) mentre una forza verso l`alto spinge verso l`alto contro l`oggetto, contro la gravità. In generale, questa forza di galleggiamento può essere calcolata utilizzando l`equazione F_B = V_S × D × g, dove F_B la forza di galleggiamento è, V_S il volume della parte sommersa dell`oggetto, D la densità del liquido in cui è immerso l`oggetto e g la gravità. Per calcolare la galleggiabilità di un oggetto, puoi continuare a leggere di seguito al passaggio 1.

Passi

Metodo 1 di 2: Utilizzo dell`equazione della forza di galleggiamento

Immagine titolata Calculate Buoyancy Step 1

1. Determina il volume della parte sommersa dell`oggetto. La forza di galleggiamento su un oggetto è direttamente proporzionale al volume dell`oggetto sommerso. In altre parole, più un oggetto è sommerso, maggiore è la forza di galleggiamento che agisce su di esso. Ciò significa che anche gli oggetti che affondano nel liquido hanno una forza verso l`alto che li spinge verso l`alto. Per calcolare la forza di galleggiamento su un oggetto, il primo passo è solitamente determinare il volume dell`oggetto immerso in un liquido. Per l`equazione della forza di galleggiamento, questo valore deve essere espresso in metri cubi (m).

Per oggetti completamente immersi nel liquido, il volume dell`acqua è uguale al volume dell`oggetto stesso. Per gli oggetti che galleggiano in un liquido, è incluso solo il volume al di sotto della superficie del liquido.
Ad esempio, supponiamo di voler conoscere la forza di galleggiamento di una palla di gomma che galleggia nell`acqua. Se la pallina è una sfera perfetta con un diametro di 1 metro (3.3 piedi) ed esattamente a metà della palla galleggia nell`acqua, quindi possiamo trovare il volume della parte sott`acqua determinando il volume dell`intera palla, quindi ne prendiamo metà. Poiché il volume di una sfera è uguale a (4/3)π(raggio) , sappiamo che il volume della sfera è uguale a (4/3)π(0.5) = 0,524 m. 0,524/2 = 0,262 m sott`acqua.

Immagine titolata Calculate Buoyancy Step 2

2.Determina la densità del liquido. Il passo successivo nel processo di ricerca della forza di galleggiamento è definire la densità (in kg/metro) del liquido in cui è immerso l`oggetto. La densità è una misura del peso di un oggetto o di una sostanza rispetto al suo volume. Per due oggetti di uguale volume, l`oggetto con la densità maggiore peserà di più. Di norma, maggiore è la densità del liquido in cui è immerso un oggetto, maggiore è la forza di galleggiamento. Per i liquidi, è generalmente più facile determinare la densità semplicemente guardandola nei contenitori (o in un altro libro di riferimento).

Nel nostro esempio, la palla galleggia nell`acqua. Dopo aver consultato un libro di riferimento, sappiamo che l`acqua ha una densità di circa 1.000 kg/mq.

La densità di molti altri liquidi comuni è elencata nelle bina (e in altri lavori di riferimento). È possibile consultare tale elenco tramite questo sito web.

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3. Determina la gravità (o altra forza verso il basso). Sia che un oggetto affondi o galleggi in un liquido, è sempre soggetto alla gravità. Nel mondo reale, questa forza costante verso il basso è uguale a 9,81 Newton/kg. Tuttavia, nelle situazioni in cui altre forze, come la forza centrifuga, agiscono anche sul liquido e sull`oggetto in esso immerso, è necessario tenerne conto anche nel determinare la forza totale "verso il basso" per l`intero sistema.

Nel nostro esempio, se abbiamo a che fare con un semplice sistema statico, possiamo supporre che l`unica forza verso il basso sul liquido e sull`oggetto sommerso sia la forza gravitazionale standard: 9,81 Newton/kg.

Tuttavia, cosa succede se la nostra palla galleggia in un secchio d`acqua che viene lanciato in un cerchio orizzontale a grande velocità? In questo caso (supponendo che il secchio sia fatto ruotare abbastanza velocemente da assicurarsi che né l`acqua né la palla cadano), la forza "verso il basso" in questa situazione può essere derivata dalla forza centrifuga creata dall`oscillazione del secchio e non dalla gravità.

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4. Moltiplica volume × densità × gravità. Se vengono forniti i valori per il volume dell`oggetto (in m), la densità del liquido (in kg/m) e la gravità (o la forza verso il basso nel sistema), determinare la forza di galleggiamento è facile. Basta moltiplicare questi tre valori per trovare la forza di galleggiamento in Newton.

Risolviamo il nostro problema di esempio inserendo questi valori nell`equazione F_B = V_S × D × g. F_B =0,262 m × 1.000 kg/m × 9,81 Newton/kg = 2.570 Newton.

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5. Scopri se il tuo oggetto galleggia (o galleggia nell`acqua) confrontando la forza di galleggiamento con la gravità. Usando l`equazione di galleggiamento, è facile trovare la forza che spinge un oggetto fuori dal liquido in cui è immerso. Tuttavia, con un piccolo lavoro in più è anche possibile determinare se l`oggetto galleggerà o affonderà. Per fare ciò, determina la forza di galleggiamento sull`intero oggetto (in altre parole, prendi l`intero volume come V_S) e quindi determinare la gravità che spinge l`oggetto verso il basso, utilizzando l`equazione G = (massa dell`oggetto) (9,81 m/s). Se la forza di galleggiamento è maggiore della gravità, l`oggetto galleggerà. D`altra parte, affonderà se la gravità è maggiore. Se sono uguali, puoi dire che l`oggetto rimane `galleggiante` nel liquido.

Ad esempio, diciamo di voler sapere se una botte di legno cilindrica del peso di 20 chilogrammi, 0,75 m di diametro e 1,25 m di altezza galleggerà nell`acqua. Ciò richiede diversi passaggi:

Determiniamo il volume con la formula per il volume di un cilindro, V = π(raggio)(altezza). V = π(0,375)(1,25) = 0,55 metri.

Quindi possiamo risolvere la forza di galleggiamento sulla nave (assumendo gravità standard e acqua di densità ordinaria). 0,55 m × 1000 kg/m × 9,81 newton/chilogrammo = 5.395.5 N.

Ora dobbiamo determinare la gravità sulla canna. G = (20 kg) (9,81 m/s) = 196.2 N. Questo è molto inferiore alla forza di galleggiamento, quindi la canna galleggerà sull`acqua.

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6. Utilizzare lo stesso approccio di un liquido con un gas. Quando risolvi domande sulla galleggiabilità, tieni presente che il liquido in cui è immerso l`oggetto non è necessariamente un liquido. Anche i gas sono fondamentalmente liquidi e, sebbene abbiano una densità molto bassa rispetto ad altre sostanze, possono comunque sostenere il peso di alcuni oggetti che vi galleggiano. Un semplice pallone ad elio ne è una chiara prova. Poiché il gas nel pallone è meno denso del liquido che lo circonda (aria normale), galleggia!

Metodo 2 di 2: Un semplice esperimento di galleggiamento

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1. Metti una piccola ciotola o una tazza all`interno di una più grande. Con pochi articoli per la casa è facile vedere i principi di galleggiamento in azione! In questo semplice esperimento, dimostreremo che un oggetto immerso sperimenta galleggiabilità perché sposta una quantità di liquido pari al volume dell`oggetto immerso. Mentre lo facciamo, ti mostreremo anche come trovare la forza di galleggiamento di un oggetto in modo pratico con questo esperimento. Per iniziare, posiziona un piccolo contenitore aperto, come una ciotola o una tazza, all`interno di un contenitore più grande, come una ciotola grande o un secchio.

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2. Riempi il contenitore interno fino all`orlo. Ora riempi d`acqua il piccolo contenitore interno. Assicurati di riempirlo fino all`orlo senza rovesciarlo. Stai attento! Se si versa dell`acqua, svuotare il contenitore più grande prima di riprovare.

Ai fini di questo esperimento è lecito ritenere che l`acqua abbia una densità standard di 1.000 kg/mq. A meno che tu non stia usando acqua salata o un liquido completamente diverso, la maggior parte delle acque avrà una densità abbastanza vicina a questo valore di riferimento che una piccola differenza non cambierà i nostri risultati.

Se hai una pipetta, questa può essere molto utile per la corretta ridistribuzione dell`acqua nel contenitore interno.

Immagine titolata Calculate Buoyancy Step 9

3. Immergi un piccolo oggetto nell`acqua. Ora trova un piccolo oggetto che si adatti al contenitore interno in grado di resistere all`acqua. Determina la massa di questo oggetto in chilogrammi (puoi usare una bilancia o una bilancia che indichi il suo peso in grammi, quindi convertirlo in chilogrammi). Quindi, lentamente e in modo uniforme, immergilo sott`acqua fino a quando non inizia a galleggiare o riesci a malapena a tenerlo, dopodiché lo lasci andare. Parte dell`acqua nel contenitore interno si riverserà oltre il bordo nel contenitore esterno.

Ai fini del nostro esempio, supponiamo di mettere una macchinina con una massa di 0,05 kg nel contenitore interno. Non abbiamo bisogno di calcolare il volume dell`auto per calcolare la forza di galleggiamento, come vedremo nel prossimo passaggio.

Immagine titolata Calculate Buoyancy Step 10

4. Metti l`acqua traboccante in un bicchiere. Quando immergiamo un oggetto nell`acqua, parte di esso viene spostato. In caso contrario, non ci sarebbe spazio per far affondare l`oggetto nell`acqua. Quando l`acqua viene spinta via dall`oggetto, l`acqua spinge indietro, determinando una forza di galleggiamento. Prendi l`acqua che è passata nel contenitore esterno e versala in un piccolo misurino. La quantità di acqua nel misurino dovrebbe essere approssimativamente uguale al volume dell`oggetto sommerso.

In altre parole, se il tuo oggetto galleggia, il volume dell`acqua versata è uguale al volume dell`oggetto che si trova sotto la superficie dell`acqua. Se l`oggetto affonda, il volume d`acqua versato sarà uguale al volume dell`intero oggetto.

Immagine titolata Calculate Buoyancy Step 11

5. Calcola il peso dell`acqua versata. Poiché conosci la densità dell`acqua e puoi misurare il volume dell`acqua versata con il misurino, conosci anche la massa. Converti il volume in m (a strumento di conversione online utile) e moltiplicarlo per la densità dell`acqua (1.000 kg/m2).

Continuando con il nostro esempio, supponiamo che la nostra macchinina sia affondata nel contenitore più interno e abbia spostato circa due cucchiai d`acqua (0,00003 m). Per trovare la massa dell`acqua, la moltiplichiamo per la densità: 1.000 kg/m × 0,00003 m = 0,03 kg.

Immagine titolata Calculate Buoyancy Step 12

6. Confronta la massa dell`acqua spostata con quella dell`oggetto. Ora che conosci la massa sia dell`oggetto immerso nell`acqua che di quella dell`acqua spostata, puoi confrontare entrambi per vedere quale è più grande. Se la massa dell`oggetto sommerso è maggiore di quella dell`acqua spostata, allora dovrebbe essere affondata. D`altra parte, se la massa dell`acqua spostata è maggiore, allora l`oggetto deve essere galleggiato. Questo è il principio della galleggiabilità in azione: per rimanere a galla come oggetto, dovrà spostare una massa d`acqua maggiore di quella dell`oggetto stesso.

Quindi, gli oggetti di massa ridotta ma di volume elevato sono i tipi di oggetti più resilienti. Questa proprietà significa che gli oggetti cavi subiscono una forte forza di galleggiamento. Pensa a una canoa - Galleggia bene perché è cava, quindi una canoa può spostare molta acqua senza una massa molto elevata. Se le canoe non fossero vuote, non galleggerebbero molto bene.

Nel nostro esempio, l`auto ha una massa maggiore (0,05 kg) rispetto all`acqua spostata (0,03 kg). Questo è in linea con quanto abbiamo osservato: l`auto è affondata.