Плавучесть

Плавучесть - это явление, возникающее из-за выталкивающей силы, которая заставляет объект плавать. Когда вы помещаете объект в жидкость, жидкость воздействует на объект направленной вверх силой, которая равна весу вытесненной жидкости. Количество вытесненной жидкости зависит от плотности и объема объекта, погруженного в жидкость.

Вы когда-нибудь задумывались, почему железный гвоздь тонет в воде, а корабль из железа плывет? И почему железный шар тонет, а пластиковый шар такого же размера плавает в воде? Эти чудеса происходят из-за явления, известного как плавучесть.

Плавучесть можно определить как направленную вверх силу, действующую на объект, полностью или частично погруженный в жидкость. Единица подъемной силы - Ньютон.

Сила плавучести зависит от двух факторов:

1. Количество (объем) вытесненной объектом жидкости
2. Плотность объекта.

В первом примере железный гвоздь, имеющий меньший объем, вытесняет очень меньшее количество воды, поэтому меньшая выталкивающая сила (восходящая сила) опускается. В то время как корабль, имеющий больший объем, вытесняет больше воды и, следовательно, большую выталкивающую силу (восходящую силу) водой, и он плавает.

Во втором примере железный шар имеет большую плотность и, следовательно, большую гравитационную силу (направленную вниз силу), чем выталкивающая сила, прикладываемая жидкостью, поэтому он тонет. В то время как пластиковый шар полый и очень менее плотный, поэтому меньшая гравитационная сила (направленная вниз сила), чем выталкивающая сила (восходящая сила), приложенная жидкостью, и он плавает.

Лодка, подводная лодка, спасательная шлюпка, спасательный жилет и плавание работают по принципу плавучести.

Принцип Архимеда

Физический закон плавучести был дан греческим математиком и изобретателем Архимедом. Принцип Архимеда гласит, что восходящая выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, полностью или частично, равна весу жидкости, которую тело вытесняет.

На изображении, приведенном выше, тяга, создаваемая жидкостью, противодействует силе тяжести, и фактические гравитационные силы уменьшаются и, следовательно, определяются следующим образом:

Кажущийся вес = Вес объекта (в воздухе) - Сила тяги (плавучесть)

Формула принципа Архимеда

Закон Архимеда математически записывается как:

F _b = ρ xgx V

Where,

F_b is the buoyant force.

ρ is the density the fluid.

V is the submerged volume.

g is the acceleration due to gravity.

Вывод формулы

После преобразования формулы ρV - это плотность вытесненной жидкости, умноженная на объем вытесненной жидкости, и мы знаем соотношение массы, плотности и объема.

m = V

Это означает, что член ρV соответствует массе вытесненной жидкости.

F _b = ρ xgx V

F _b = mg, т.е. масса вытесненной жидкости, умноженная на величину ускорения свободного падения, и есть просто вес вытесненной жидкости.

F _b = W

Вышеупомянутое уравнение, если оно сформулировано словами, называется принципом Архимеда.

Если предположить, что принцип Архимеда будет переформулирован

Кажущийся погруженный вес = вес - вес вытесненной жидкости

Затем вставляется коэффициент весов, который объясняется взаимным объемом.

Плотность погружаемого объекта относительно плотности жидкости можно рассчитать:

F _b = PA = g ρ V = ρ gh A --- (i)

P = pressure

F_b = force of buoyancy in Newton,

A = Area in meter square,

g = acceleration due to gravity,

h = Height at which force acts taken from the surface

p = density of the fluid,

V = volume of the object inserted into the fluid.

F _b = Wa - Wf —– (ii)

F_b = force of buoyancy

W_a = Weight of the object in the air

W_f  = Weight of the object when it is immersed in the fluid

Используя (l) и (ll),

g ρ V = W _a - W _f ———- (iii)

Если объект не тонет, то F _g - F _b

M _g = g ρ V

Примеры задач по принципу Архимеда

Вопрос 1. Найдите объем погружаемого объекта, если M равно 10000 кг.

Решение:

ρ=997 kg/m³

10000 kg x g = g x 997 kg/m³ V

1000 kg = 997 kg/ m³ V

Вопрос 2. Брусок длиной 3,2 м, шириной 0,8 м и высотой 0,6 м. Плотность воды 1000 кг / м3. Если блок помещен в воду, какова выталкивающая сила? Ускорение свободного падения 10 Н / кг.

Решение:

Volume of the block (V) = length x width x height = 3.2 x 0.8 x 0.6 = 1.53 m3

Density = 1000 kg/m3

Gravity = 10 N/Kg

F = density x gravity x volume

F = 1000 x 10 x 1.53 = 15300N

Ans : F = 15300N

Вопрос 3. Вес объекта в воздухе 108 Н. Объект помещен в жидкость. Увеличение объема жидкости 1,8 м3. Если удельный вес жидкости составляет 10 Н / м3, каков вес объекта в жидкости?

Решение:

Object’s weight in liquid = object’s weight in air – buoyant force

Object’s weight in liquid = 108 N – buoyant force

F = ρ g V

The density of liquid is 1 kg/m3

Object’s weight in fluid = 100 N – 18 N = 82N

Ans: 82 N

Вопрос 4. В воздухе объект весит 12N, при полном погружении в воду он весит всего 9N. Каким будет вес жидкости, вытесняемой объектом?

Решение:

According to Archimedes’s law:

Apparent weight = Weight of object (in the air) – Thrust force (buoyant force)

Apparent weight = 9N

Weight of object (in the air) = 12N

Thrust force (buoyant force) = ?

Apparent weight = 12N – Fb

Fb = 12N – 9N = 3N

Ans: 3N

Вопрос 5. Объем объекта 50 см ^3, масса 20 г. Плотность воды составляет 1 GCM ^-3 .will объект плавать на воде или тонет в воде?

Решение:

Density 

Ans: The density of object is less than the water therefore object will float.

Плавающий объект устойчив, если он стремится вернуться в положение равновесия после небольшого смещения. Например, плавающие объекты обычно будут иметь вертикальную устойчивость, как если бы объект слегка толкнул вниз, это создаст большую выталкивающую силу, которая, неуравновешенная силой веса, подтолкнет объект обратно вверх.

При небольшом угловом смещении судно может вернуться в исходное положение (стабильное), отойти от исходного положения (неустойчиво) или остаться в прежнем положении (нейтральное). Вращательная устойчивость зависит от относительных линий действия сил на объект.

Сила плавучести, направленная вверх на объект, действует через центр плавучести (CB), являющийся центром вытесняемого объема жидкости. Сила веса на объект действует через его центр тяжести (CG).

Плавучий объект будет устойчивым, если центр тяжести находится ниже центра плавучести, потому что любое угловое смещение создаст «восстанавливающий момент». Стабильность плавучего объекта на поверхности более сложна, и он может оставаться устойчивым, даже если центр тяжести находится выше центра плавучести, при условии, что при отклонении от положения равновесия центр плавучести перемещается дальше в ту же сторону. центр тяжести перемещается, обеспечивая положительный восстанавливающий момент.

Что такое аптраст?

Любой объект, помещенный в жидкость, получает восходящую силу, называемую Upthrust. Объект толкается вверх, поэтому называется Upthrust. Частично или полностью погруженный объект испытывает большее давление на нижнюю поверхность, чем на верхнюю. Эта сила называется аптрастом. Когда мы кладем что-то на поверхность водоема, часть жидкости вытесняется. Сила подъема равна весу жидкости, вытесняемой объектом. Единица аптраста - Ньютон .

Поскольку подъем - это сила, прикладываемая водой, и еще одна сила также действует на тело из-за массы тела, которая известна как сила тяжести. Гравитационная сила действует в направлении, противоположном восходящей силе, восходящей силе, действующей в вертикальном направлении вверх, и гравитационной силе, действующей в вертикальном направлении вниз.

Типы плавучести

Есть три типа плавучести:

1. Положительная плавучесть: когда вес объекта меньше веса жидкости, которую он вытесняет, это называется положительной плавучестью.

Например, лодка, которая весит (3000 кг), но вытесняет (4500 кг) воду, легко будет плавать.

2. Отрицательная плавучесть: когда вес объекта превышает вес жидкости, которую он вытесняет, это называется положительной плавучестью.

Например, железный гвоздь может весить 27 граммов, но если он вытеснит только 17 граммов воды, он утонет.

3. Естественная плавучесть: когда вес объекта равен весу жидкости, которую он вытесняет.

Например, подводная лодка может регулировать свой вес, добавляя или удаляя воду из специальных цистерн, называемых балластными цистернами, что является примером естественной плавучести.

Применение плавучести

1. Лодка спроектирована таким образом, чтобы форма лодки была полой. Из-за полой формы плотность становится меньше плотности моря. Объем воды, вытесняемой лодкой, равен весу лодки, и это помогает кораблю плавать.

2. Рыбы остаются плавучими под водой. У рыб есть специальный орган, называемый плавательным пузырем, который обычно заполнен газами, что делает тело легче. Это позволяет рыбам подняться вверх.

3. Плавание подводных лодок по воде.

4. Найти объем тела.

5. Для удержания пловцов на поверхности водоема.

Примеры проблем

Вопрос 1. Брусок длиной 3,2 м, шириной 0,8 м и высотой 0,6 м. Плотность воды 1000 кг / м3. Если блок помещен в воду, какова выталкивающая сила? Ускорение свободного падения 10 Н / кг.

Решение:

F = ρ g V

F = 1000 x 10 x 1.58 = 15840N

Ans : F = 15840N

Вопрос 2. Вес объекта в воздухе 108 Н. Объект помещен в жидкость. Увеличение объема жидкости 1,8 м3. Если удельный вес жидкости составляет 10 Н / м3, каков вес объекта в жидкости?

Решение:

Object’s weight in liquid = object’s weight in air – buoyant force

Object’s weight in liquid = 108 N – buoyant force

FA = ρ g V

The density of liquid is 1 kg/m³

FA = ρgV = (1kg/m³)(10m/s²)(1.8m³) = 18kgm/s³ = 18N

Object’s weight in fluid = 100 N – 18 N = 82N

Ans: 82 N

Вопрос 3. Кусок мраморной плитки на воздухе весит 285 г. Если его плотность составляет 3,5 г / куб.см, каков его вес в воде?

Решение:

Weight in air = 285 g

Volume = 285g /(3.5 g/cc) = 81.4 cc

Weight in water = 285 g – 81.4g = 203.6 g

Ans: 203.6 g

Вопрос 4. Объем объекта 50 см ^3, масса 30 г. Плотность воды 1 гсм ^-3 . Будет ли объект плавать в воде или тонуть в воде?

Отвечать:

Object will float because the density of object is less than that of water.

Вопрос 5. Объем объекта 20 см ^3, масса 10 г. Плотность воды составляет 1 GCM ^-3 .will объект плавать на воде или тонет в воде?

Решение:

Density 

Ans: The density of object is less than the water therefore object will float.

Вопрос 6. В воздухе объект весит 15N, при полном погружении в воду он весит всего 10N. Каким будет вес жидкости, вытесняемой объектом?

Решение:

According to Archimedes’s law:

Apparent weight = Weight of object (in the air) – Thrust force (buoyant force)

Apparent weight = 10N

Weight of object (in the air) = 15N

Thrust force (buoyant force) = ?

Apparent weight = 15N – Fb

Fb = 15N – 10N = 5N

Ans: 5N