Sila uzgona je sila suprotna gravitaciji, koja utječe na sve objekte potopljene u tekućinu. Kada se predmet stavi u fluid, masa objekta pritišće fluid (tekućina ili plin), dok uzgonska sila potiskuje objekt prema gravitaciji. Općenito, ova uzgonska sila može se izračunati jednadžbom Fa = Vt × × g, sa Fa je sila uzgona, Vt je volumen potopljenog objekta, je gustoća fluida i g je gravitacijska sila. Da biste saznali kako odrediti uzgon objekta, pogledajte 1. korak u nastavku za početak.
Korak
Metoda 1 od 2: Korištenje jednadžbe uzgona
Korak 1. Pronađite volumen potopljenog dijela objekta
Sila uzgona koja djeluje na objekt proporcionalna je volumenu potopljenog objekta. Drugim riječima, što je veći potopljeni čvrsti dio objekta, veća je sila uzgona koja djeluje na objekt. To znači da objekti koji su uronjeni u tekućinu imaju uzgonsku silu koja potiskuje objekt prema gore. Za početak izračunavanja sile uzgona koja djeluje na objekt, vaš prvi korak je obično odrediti zapreminu objekta potopljenog u tekućinu. Za jednadžbu uzgona, ova vrijednost treba biti u metrima3.
- Za objekt potpuno potopljen u tekućinu, volumen uronjen jednak je volumenu samog objekta. Za objekte koji plutaju iznad površine fluida izračunava se samo volumen ispod površine.
- Na primjer, pretpostavimo da želimo pronaći uzgonsku silu koja djeluje na gumenu kuglu koja pluta po vodi. Ako je gumena kugla savršena sfera promjera 1 m i pluta s polovicom potopljenom u vodu, možemo pronaći volumen potopljenog dijela tako što ćemo pronaći ukupnu zapreminu kugle i podijeliti je s dva. Budući da je volumen kugle (4/3) (radijus)3, znamo da je volumen naše sfere (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metara3. 0, 524/2 = 0,262 metara3 umivaonik.
Korak 2. Pronađite gustoću tečnosti
Sljedeći korak u procesu pronalaženja uzgona je definiranje gustoće (u kilogramima/metar)3) fluida u koji je predmet uronjen. Gustoća je mjerenje mase predmeta ili tvari u odnosu na njegovu zapreminu. Ako se daju dva objekta iste zapremine, objekt veće gustoće imat će veću masu. Prema pravilu, što je veća gustoća fluida u koji je predmet potopljen, veća je uzgonska sila. Kod fluida, obično je najjednostavniji način određivanja gustoće jednostavno traženje u referentnom materijalu.
- U našem primjeru, naša lopta pluta u vodi. Gledajući u akademske izvore, možemo otkriti da voda ima gustoću od cca. 1.000 kilograma/metar3.
- Druge gustoće fluida koje se široko koriste navedene su u inženjerskim izvorima. Jednu od lista možete pronaći ovdje.
Korak 3. Pronađite silu gravitacije (ili neku drugu silaznu silu)
Bilo da objekt tone ili pluta u tekućini, uvijek ima gravitacijsku silu. U stvarnom svijetu silazna sila konstante jednaka je 9,81 njutn/kilogram. Međutim, u situacijama kada druge sile, poput centrifugalne sile, djeluju na tekućinu i objekt potopljen u nju, ta se sila također mora uzeti u obzir kako bi se odredila neto sila prema dolje za cijeli sustav.
- U našem primjeru radimo s običnim, statičkim sistemom, pa možemo pretpostaviti da je jedina sila prema dolje koja djeluje na fluide i predmete opća gravitacijska sila - 9,81 njutn/kilogram.
- Međutim, što ako se naša lopta, koja pluta u kanti vode, velikom brzinom zamahne u krug u vodoravnom smjeru? U ovom slučaju, pod pretpostavkom da se kanta zamahuje dovoljno brzo da se voda i lopta ne prospe, sila prema dolje u ovoj situaciji bit će izvedena iz centrifugalne sile nastale zamahom kante, a ne iz Zemljine teže.
Korak 4. Pomnožite volumen × gustoću × gravitaciju
Ako imate vrijednost volumena vašeg objekta (u metrima)3), gustoća vaše tekućine (u kilogramima/metar3) i silu gravitacije (sila prema dolje na vašem sistemu), pa je pronalaženje uzgona vrlo lako. Samo pomnožite ove tri vrijednosti da biste pronašli silu uzgona u newtonima.
Riješimo naš primjer problema uključivanjem naših vrijednosti u jednadžbu Fa = Vt × × g. Fa = 0,262 metara3 × 1.000 kilograma/metar3 × 9,81 njutona/kilogram = 2.570 njutona.
Korak 5. Provjerite pluta li vaš objekt uspoređujući uzgon sa gravitacionom silom
Koristeći jednadžbu uzgona, lako je pronaći silu koja tjera objekt prema gore i iz fluida. Međutim, uz malo dodatnog napora, također je moguće utvrditi hoće li neki objekt plutati ili potonuti. Samo pronađite uzgonsku silu za cijeli objekt (drugim riječima, upotrijebite cijeli volumen za vrijednost Vt), zatim pronađite gravitacijsku silu koja je gura prema dolje s jednadžbom G = (masa objekta) (9,81 metar/sekundu)2). Ako je sila uzgona veća od gravitacijske sile, objekt će plutati. S druge strane, ako je gravitacijska sila veća od sile uzgona, objekt će potonuti. Ako su veličine iste, za objekt se kaže da pluta.
-
Na primjer, recimo da želimo znati hoće li drvena cilindrična cijev mase 20 kilograma i promjera 0,75 m i visine 1,25 m plutati u vodi. Ovaj problem će se odvijati u nekoliko koraka:
- Volumen možemo pronaći formulom za volumen cilindra V = (polumjer)2(visok). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metara3.
- Zatim, pod pretpostavkom da je veličina gravitacije obična i da je voda uobičajene gustoće, možemo pronaći uzgonsku silu cijevi. 0,55 metara3 × 1000 kilograma/metar3 × 9,81 njutona/kilogram = 5.395, 5 njutona.
- Sada moramo pronaći gravitacijsku silu cijevi. G = (20 kg) (9,81 metara/sekundi)2) = 196,2 njutna. Ova sila je manja od sile uzgona, pa će cijev plutati.
Korak 6. Koristite isti pristup ako je vaša tekućina plin
Kada radite na problemima uzgona, ne zaboravite da tekućina u koju je predmet potopljen ne mora biti tekućina. Plinovi su također tekućine i, iako imaju vrlo nisku gustoću u usporedbi s drugim tvarima, ipak mogu izdržati određene mase objekata koji plutaju u plinu. Dokaz za to je jednostavan balon sa helijumom. Budući da je plin u balonu manje gust od okolne tekućine (vanjski zrak), balon pluta!
Metoda 2 od 2: Izvođenje jednostavnog eksperimenta uzgona
Korak 1. Stavite malu zdjelu ili šalicu u veću zdjelu
Uz neke kućanske potrepštine, lako je vidjeti principe uzgona u eksperimentu! U ovom jednostavnom eksperimentu pokazat ćemo da potopljeni objekt doživljava uzgonsku silu jer istiskuje volumen fluida jednak volumenu potopljenog objekta. Dok to radimo, pokazat ćemo i praktičan način pronalaženja uzgonske sile objekta ovim eksperimentom. Za početak, stavite malu, otvorenu posudu, poput zdjele ili šalice, u veću posudu, poput velike zdjele ili kante.
Korak 2. Napunite mali spremnik do ruba
Zatim napunite manji unutrašnji spremnik vodom. Želite da voda bude visoka koliko i posuda bez prolijevanja. Budite oprezni ovdje! Ako prolijete vodu, ispraznite veću posudu prije nego pokušate ponovo.
- Za potrebe ovog eksperimenta, u redu je pretpostaviti da voda ima opću gustoću od 1000 kilograma/metar3. Osim ako ne koristite morsku vodu ili potpuno drugu tekućinu, većina vrsta vode ima gotovo istu gustoću kao ova referentna vrijednost, tako da mala razlika neće promijeniti naše rezultate.
- Ako imate kapi za oči, ovo može biti vrlo korisno za podizanje nivoa vode u malom spremniku.
Korak 3. Potopite mali predmet
Zatim potražite mali predmet koji će stati u malu posudu i neće ga oštetiti voda. Pronađite masu ovog predmeta u kilogramima (možda ćete htjeti upotrijebiti vagu ili vagu koja može uzeti grame i pretvoriti ih u kilograme). Zatim, bez kvašenja prstiju, polako, ali sigurno, umočite predmet u vodu sve dok ne počne plutati ili ga možete malo držati, a zatim otpustiti. Primijetit ćete da će se dio vode u malom spremniku izliti u vanjski spremnik.
Za potrebe našeg primjera, pretpostavimo da umočimo automobil igračku mase 0,05 kilograma u mali spremnik. Ne moramo znati zapreminu ovog automobila da bismo izračunali njegovu uzgon jer ćemo to vidjeti u sljedećem koraku
Korak 4. Prikupite i prebrojte prolivenu vodu
Kad potopite objekt u vodu, on istiskuje dio vode - u protivnom neće biti mjesta za stavljanje predmeta u vodu. Kada neki predmet istisne vodu, voda se odgurne, stvarajući uzgonsku silu. Prosutu vodu uzmite iz male posude i sipajte u malu mjernu posudu. Zapremina vode u mernoj posudi jednaka je zapremini predmeta koji je potopljen.
Drugim riječima, ako vaš objekt pluta, volumen vode koja se izlije bit će jednaka volumenu objekta koji je potopljen ispod površine vode. Ako vaš predmet potone, zapremina vode koja se izlije jednaka je ukupnoj zapremini objekta
Korak 5. Izračunajte masu prolivene vode
Budući da znate gustoću vode i možete izmjeriti zapreminu vode koja se prolije u mjernu posudu, možete pronaći njenu masu. Samo promijenite glasnoću u metre3 (online pomagala za pretvaranje, poput ovog, mogu pomoći) i pomnožiti s gustoćom vode (1.000 kilograma/metar3).
U našem primjeru, pretpostavimo da naš automobil igračka tone u mali spremnik i pomiče se oko dvije žlice (0.0003 metra)3). Da bismo pronašli masu naše vode, pomnožićemo je sa njenom gustinom: 1.000 kilograma/metar3 × 0.0003 metara3 = 0,03 kilograma.
Korak 6. Uporedite masu prolivene vode sa masom predmeta
Sada kada znate masu predmeta koji potapate u vodu i masu vode koja se izlila, uporedite ih da vidite koja je masa veća. Ako je masa predmeta potopljenog u mali spremnik veća od prolivene vode, predmet će potonuti. S druge strane, ako je masa prolivene vode veća, objekt će plutati. Ovo je princip uzgona u eksperimentu - da bi objekt plutao, mora istisnuti količinu vode čija je masa veća od mase samog objekta.
- Stoga su objekti male mase, ali velike zapremine, tipovi objekata koji najlakše plutaju. Ovo svojstvo znači da šuplji predmeti vrlo lako plutaju. Zamislite kanu - kanu dobro pluta jer je iznutra šupalj, pa može pomicati puno vode, a da ne mora imati veliku masu. Ako kanu nije šupalj (čvrst), kanu neće pravilno plutati.
- U našem primjeru, automobil ima veću masu (0,05 kilograma) od prolivene vode (0,03 kilograma). Ovo se slaže s onim što primjećujemo: automobili tone.
