Ujuv jõud on gravitatsioonile vastupidine jõud, mis mõjutab kõiki vedelikku sukeldatud objekte. Kui objekt asetatakse vedelikku, surub eseme mass vedeliku (vedeliku või gaasi) vastu, samal ajal kui ujuv jõud surub objekti gravitatsiooni vastu. Üldiselt saab seda ujuvjõudu arvutada võrrandi abil Fa = Vt × × g, koos F.a on ujuv jõud, Vt on sukeldatud objekti maht, vedeliku tihedus ja g on gravitatsioonijõud. Objekti ujuvuse määramise kohta lisateabe saamiseks vaadake alustamiseks 1. sammu allpool.
Samm
Meetod 1: 2: Ujuvuse võrrandi kasutamine
Samm 1. Leidke objekti sukeldatud osa maht
Objektile mõjuv ujuv jõud on võrdeline sukeldatud objekti ruumalaga. Teisisõnu, mida suurem on objekti veealune tahke osa, seda suurem on objektile mõjuv ujuv jõud. See tähendab, et vedelikku sukeldatud objektidel on ujuv jõud, mis surub objekti üles. Objektile mõjuv ujuva jõu arvutamise alustamiseks on tavaliselt esimene samm määrata vedelikku sukeldatud objekti maht. Ujuvuse võrrandi jaoks peaks see väärtus olema meetrites3.
- Täielikult vedelikku sukeldatud objekti puhul on vee all olev maht võrdne objekti enda mahuga. Vedeliku pinna kohal hõljuvate objektide puhul arvutatakse ainult pinnast allpool olev maht.
- Oletame näiteks, et tahame leida ujuva jõu, mis mõjub vees ujuvale kummipallile. Kui kummipall on täiuslik kera, mille läbimõõt on 1 m ja hõljub poolega vee all, võime leida veealuse osa ruumala, leides kera kogumahu ja jagades kahega. Kuna kera maht on (4/3) (raadius)3, me teame, et meie sfääri ruumala on (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 meetrit3. 0, 524/2 = 0,262 meetrit3 valamu.
Samm 2. Leidke oma vedeliku tihedus
Ujuvuse leidmise protsessi järgmine samm on tiheduse määratlemine (kilogrammides meetri kohta)3) vedelikust, millesse objekt on sukeldatud. Tihedus on objekti või aine massi mõõtmine selle mahu suhtes. Kui antakse kaks sama mahuga objekti, on suurema tihedusega objektil suurem mass. Reegli kohaselt, mida suurem on vedeliku tihedus, milles objekt on sukeldatud, seda suurem on ujuv jõud. Vedelike puhul on tavaliselt lihtsaim viis tiheduse määramiseks lihtsalt otsida see võrdlusmaterjalist.
- Meie näites hõljub meie pall vees. Akadeemilisi allikaid uurides leiame, et vee tihedus on u. 1000 kilogrammi/meeter3.
- Muud laialdaselt kasutatavad vedeliku tihedused on loetletud inseneriallikates. Ühe nimekirjaga saab tutvuda siin.
Samm 3. Leidke raskusjõud (või mõni muu allapoole suunatud jõud)
Ükskõik, kas objekt vajub või hõljub vedelikus, on sellel alati gravitatsioonijõud. Reaalses maailmas on allapoole suunatud jõu konstant võrdne 9,81 njuutonit/kilogramm. Olukordades, kus vedelikule ja sellesse sukeldatud objektile mõjuvad muud jõud, näiteks tsentrifugaaljõud, tuleb seda jõudu arvesse võtta ka kogu süsteemi allapoole suunatud jõu määramiseks.
- Meie näites töötame tavalise staatilise süsteemiga, nii et võime eeldada, et ainus vedelikele ja esemetele mõjuv allapoole suunatud jõud on üldine gravitatsioonijõud - 9,81 njuutonit/kilogramm.
- Aga mis siis, kui meie palli, mis vedeleb veeämbris, pööratakse suurel kiirusel ringikujuliselt horisontaalsuunas? Sel juhul, kui eeldada, et ämbrit liigutatakse piisavalt kiiresti, et vesi ja pall ei voolaks, saadakse selles olukorras allapoole suunatud jõud tsentrifugaaljõust, mis tekib ämbri liikumisel, mitte Maa gravitatsioonist.
Samm 4. Korrutage maht × tihedus × raskusaste
Kui teil on objekti helitugevus (meetrites)3), vedeliku tihedus (kilogrammides meetri kohta)3) ja raskusjõud (teie süsteemi allapoole suunatud jõud), seega on ujuvuse leidmine väga lihtne. Lihtsalt korrutage need kolm väärtust, et leida ujuvjõud njuutonites.
Lahendame oma näiteülesande, ühendades oma väärtused võrrandisse Fa = Vt × × g. Fa = 0,262 meetrit3 × 1000 kilogrammi/meeter3 × 9,81 njuutonit/kilogramm = 2570 njuutonit.
Samm 5. Vaadake, kas teie objekt hõljub, võrreldes ujuvust gravitatsioonijõuga
Ujuvusvõrrandit kasutades on lihtne leida jõudu, mis surub objekti vedelikust üles ja välja. Väikese lisapingutusega on aga võimalik kindlaks teha ka see, kas objekt hõljub või vajub. Leidke lihtsalt kogu objekti ujuv jõud (teisisõnu kasutage V väärtuse jaoks kogu helitugevustt), seejärel leidke gravitatsioonijõud, mis surub selle alla võrrandiga G = (objekti mass) (9,81 meetrit sekundis)2). Kui ujuv jõud on suurem kui gravitatsioonijõud, siis objekt hõljub. Teisest küljest, kui gravitatsioonijõud on suurem kui ujuv jõud, siis objekt vajub. Kui suurusjärgud on samad, öeldakse, et objekt hõljub.
-
Näiteks ütleme, et tahame teada, kas puidust silindriline tünn, mille mass on 20 kilogrammi ja läbimõõt 0,75 m ja kõrgus 1,25 m, hõljub vees. See probleem hõlmab mitmeid samme:
- Mahu saame silindri ruumala valemiga V = (raadius)2(pikk). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 meetrit3.
- Järgnevalt, eeldades, et gravitatsiooni suurus on tavaline ja tavalise tihedusega vee oma, võime leida tünni ujuvjõu. 0,55 meetrit3 × 1000 kilogrammi/meeter3 × 9,81 njuutonit/kilogramm = 5395, 5 njuutonit.
- Nüüd peame leidma tünni gravitatsioonijõu. G = (20 kg) (9,81 meetrit sekundis2) = 196,2 njuutonit. See jõud on väiksem kui ujuv jõud, nii et tünn hõljub.
Samm 6. Kasutage sama meetodit, kui teie vedelik on gaas
Ujuvusprobleemide kallal töötades ärge unustage, et vedelik, millesse objekt on sukeldatud, ei pea olema vedelik. Gaasid on samuti vedelikud ja kuigi gaasid on teiste ainetega võrreldes väga väikese tihedusega, suudavad nad siiski toetada teatud massi esemeid, mis gaasis hõljuvad. Lihtne heeliumi õhupall on selle tõestuseks. Kuna balloonis olev gaas on vähem tihe kui ümbritsev vedelik (välisõhk), siis balloon hõljub!
Meetod 2/2: lihtsa ujuvuse katse läbiviimine
Samm 1. Asetage väike kauss või tass suurema kausi sisse
Mõne majapidamistarbega on hõlpsasti näha ujuvuse põhimõtteid katses! Selles lihtsas katses demonstreerime, et vee all olev objekt tunneb ujuvjõudu, kuna see nihutab vedeliku mahu, mis on võrdne sukeldatud objekti mahuga. Seda tehes demonstreerime selle katsega ka praktilist viisi objekti ujuvjõu leidmiseks. Alustuseks asetage väike avatud anum, näiteks kauss või tass, suurema mahuti, näiteks suure kausi või ämbri sisse.
Samm 2. Täitke väike anum ääreni
Seejärel täitke väiksem sisemine anum veega. Soovite, et vesi oleks sama kõrge kui anum ilma lekkimata. Olge siin ettevaatlik! Kui valate vett, tühjendage suurem anum enne uuesti proovimist.
- Selle katse jaoks võib eeldada, et vee üldine tihedus on 1000 kilogrammi meetri kohta3. Kui te ei kasuta merevett või täiesti erinevat vedelikku, on enamikul veeliikidel selle võrdlusväärtusega peaaegu sama tihedus, nii et väike erinevus ei muuda meie tulemusi.
- Kui teil on silmatilku, võib see olla väga kasulik veetaseme tõstmiseks väikeses mahutis.
Samm 3. Kastke väike objekt vee alla
Järgmisena otsige väikest eset, mis mahub väikesesse mahutisse ja mida vesi ei kahjusta. Leidke selle objekti mass kilogrammides (võite kasutada skaalat või tasakaalu, mis võtab gramme ja teisendab need kilogrammideks). Seejärel, ilma sõrmi märjaks tegemata, kasta objekt aeglaselt, kuid kindlalt vette, kuni see hakkab hõljuma või saate seda veidi hoida ja seejärel lahti lasta. Te märkate, et osa väikeses mahutis olevat vett voolab välimisse anumasse.
Oletame, et kastame mänguasja massiga 0,05 kilogrammi väikesesse anumasse. Selle ujuvuse arvutamiseks ei pea me teadma selle auto mahtu, sest näeme seda järgmises etapis
Samm 4. Koguge kokku ja loendage mahavoolanud vesi
Kui uputate eseme vette, tõrjub see osa veest välja - vastasel juhul pole kohta, kuhu seda vette panna. Kui objekt lükkab vee välja, lükkab vesi tagasi, tekitades ujuva jõu. Võtke mahavoolanud vesi väikesest anumast ja valage see väikesesse mõõtetopsi. Vee maht mõõtetopsis on võrdne sukeldatud objekti mahuga.
Teisisõnu, kui teie objekt ujub, on väljavoolanud vee maht võrdne veepinna alla sukeldatud objekti mahuga. Kui teie objekt vajub, on väljavoolanud vee maht võrdne objekti kogumahuga
Samm 5. Arvutage mahavoolanud vee mass
Kuna teate vee tihedust ja saate mõõta mõõtetopsis voolanud vee mahtu, leiate selle massi. Muutke lihtsalt helitugevus meetriteks3 (veebipõhised konversiooni abivahendid, nagu see, võivad aidata) ja korrutada vee tihedusega (1000 kilogrammi meetri kohta)3).
Oletame, et meie mänguauto vajub väikesesse anumasse ja liigub umbes kaks supilusikatäit (0,0003 meetrit)3). Meie vee massi leidmiseks korrutame selle tihedusega: 1000 kilogrammi meetri kohta3 × 0,0003 meetrit3 = 0,03 kilogrammi.
Samm 6. Võrrelge mahavoolanud vee massi objekti massiga
Nüüd, kui teate vette uputatava objekti massi ja mahavoolanud vee massi, võrrelge neid, et näha, milline mass on suurem. Kui väikesesse anumasse sukeldatud eseme mass on suurem kui mahavoolanud vesi, vajub objekt ära. Teisest küljest, kui mahavoolanud vee mass on suurem, siis objekt hõljub. See on katsetamisel ujuvuse põhimõte - selleks, et objekt saaks hõljuda, peab see nihutama välja veekoguse, mille mass on suurem kui objekti enda mass.
- Seega on väikese massiga, kuid suure mahuga objektid seda tüüpi objektid, mis hõljuvad kõige kergemini. See omadus tähendab, et õõnsad esemed hõljuvad väga hõlpsalt. Kujutage ette kanuu - kanuu hõljub hästi, sest see on seest õõnes, nii et see võib liigutada palju vett, ilma et tal oleks suurt massi. Kui kanuu ei ole õõnes (tahke), siis kanuu ei hõlju korralikult.
- Meie näites on autol suurem mass (0,05 kilogrammi) kui mahavoolanud veel (0,03 kilogrammi). See on kooskõlas sellega, mida me täheldame: autod upuvad.
