Понимание плавучести:формула, примеры и повседневное применение

Испытывали ли вы когда-нибудь ощущение легкости во время плавания в бассейне или ощущение легкости ведра, когда вы черпали воду из колодца? Если вы это сделаете, во время этих событий возникнет плавучесть. При плавучести при погружении в воду или любой источник жидкости на тело действует сила, направленная вниз и противоположная направлению гравитационного притяжения.

Вот почему мы испытываем снижение веса, когда такое происходит. Кроме того, это может быть причиной того, что иглы тонут, а пластиковые бутылки всплывают независимо от веса.

Что ж, в этом чтении мы узнаем, что такое плавучесть, ее схему, применение, назначение, причины, типы и способы достижения плавучести. Вы также узнаете плотность и связанную с ней плотность, а также почему объект плавает или тонет в воде.

Начнем!

Узнайте, как сила меняет состояние движения, с помощью этого подробного руководства!

Плавучесть, или выталкивание, — это направленная вверх сила, создаваемая жидкостью, которая противодействует весу частично или полностью погруженного объекта. Также говорят, что это сила, которая заставляет объекты плавать. Плавучесть возникает, когда на противоположные стороны объекта, погруженного в статическую жидкость, действует разница давлений.

Ее также называют выталкивающей силой, потому что плавучесть — это явление, возникающее под действием выталкивающей силы. В столбе жидкости давление увеличивается с глубиной из-за веса вышележащей жидкости. Следовательно, давление внизу столба жидкости больше, чем давление вверху столба.

Точно так же давление внизу объекта, погруженного в жидкость, больше, чем давление вверху объекта. Эта разница давлений приводит к возникновению чистой восходящей силы, действующей на объект.

Принцип Архимеда также объяснял, что величина силы пропорциональна разнице давлений и эквивалентна весу жидкости, которая в противном случае вытеснила бы жидкость; сила может удерживать объект на плаву. Вот почему объект, средняя плотность которого превышает плотность жидкости, в которую он погружен, имеет тенденцию тонуть.

Но если объект менее плотный, чем жидкость, сила может удержать объект на плаву. Это произойдет только в неинерциальной системе отсчета, которая имеет гравитационное поле или ускоряется за счет силы, отличной от гравитации. Это определяет направление «нисходящее».

Единица выталкивающей силы — Ньютон (Н).

Таким образом, плавучесть можно определить как направленную вверх силу, приложенную жидкостью к объекту или телу, когда объект помещается в жидкость или погружается в нее.

Центром плавучести объекта является центр тяжести вытесненного объема жидкости. Это точка на объекте, где действует сила, или точка, где применяется сила плавучести. Сила плавучести вертикальна, поэтому центром плавучести является точка, расположенная в центре тяжести жидкости, вытесняемой погруженным объектом.

Из этого подробного руководства вам также следует узнать о механике жидкости!

Приложения

Применение плавучести очень обширно, поскольку она может удерживать объекты на плаву в воде, без чего мы, люди, не можем обойтись. Плавучесть используется на подводных лодках и воздушных шарах; даже рыбы и пловцы используют тот же принцип. Ниже приведены некоторые примеры применения плавучести в реальном мире.

• Воздушный шар: Потому что атмосфера содержит воздух, который оказывает выталкивающую силу на любой объект. Воздушный шар с горячим воздухом будет плавать за счет выталкивающей силы, он опустится, когда вес воздушного шара превысит выталкивающую силу. Это связано с тем, что воздушный шар становится неподвижным, когда вес равен выталкивающей силе.
• Подводная лодка: В подводных лодках хорошо используется принцип плавучести. Подводная лодка имеет большую балластную цистерну, которая используется для контроля ее положения и глубины с поверхности моря. На подводных лодках вода попадает в балластную цистерну так, что ее вес становится больше, чем выталкивающая сила.
• Корабль: Корабли могут плавать на поверхности моря, поскольку объем вытесняемой кораблем воды достаточен, чтобы иметь вес, равный весу корабля. Корабли имеют полые формы, поэтому общая плотность корабля меньше плотности морской воды. Вот почему выталкивающая сила, действующая на корабль, достаточно велика, чтобы выдержать его вес.
• Рыба: Как уже говорилось ранее, некоторые определенные группы рыб и пловцов также используют принцип Архимеда для перемещения вверх и вниз в воде. Чтобы подняться на поверхность воды, рыбы наполняют свой плавательный пузырь (воздушные мешки) газами. Эти газы диффундируют из собственного тела в мочевой пузырь, делая тело легче, что позволяет рыбе подниматься вверх.

Формула

Формула плавучести (также известный как Принцип Архимеда) )

Выталкивающая сила (Fb)=ρ⋅V⋅g\text{Выталкивающая сила (} F_b \text{)} =\rho \cdot V \cdot g

Где:

<ли>

FbF_b =Выталкивающая сила (в ньютонах, Н)

<ли>

ρ\rho =Плотность жидкости (в кг/м³)

<ли>

VV =Объем вытесненной жидкости (в м³)

<ли>

gg =Ускорение свободного падения (≈ 9,81 м/с²)

Пример:

Если объем объекта составляет 0,5 м³ воды (плотность =1000 кг/м³), выталкивающая сила равна:

Fb=1000⋅0,5⋅9,81=4905 NF_b =1000 \cdot 0,5 \cdot 9,81 =4905 \, \text{N}

Это означает, что вода оказывает направленную вверх силу 4905 ньютонов. на объекте.

Узнайте об ограниченном движении из этого подробного руководства!

Причины и примеры плавучести

Обязательно знать, что плавучесть вызывается давлением жидкости, в которую погружен предмет. Кроме того, выталкивающая сила, действующая на объект, всегда направлена ​​вверх. Это связано с тем, что давление жидкости увеличивается с глубиной. Некоторые примеры плавучести также включают в себя:

• Лодка или корабль, плывущий по воде.
• Погруженная в воду пробка будет плавать благодаря плавучести.
• Пловцы – хороший пример плавучести.
• Лодка, плывущая по воде. Вес лодки уравновешивается восходящей выталкивающей силой воды.
• Воздушный шар, поднимающийся в небо. Теплый воздух внутри воздушного шара менее плотный, чем более холодный воздух снаружи, что создает плавучесть.
• Айсберг, плавающий в океане. Лед менее плотный, чем морская вода, поэтому он плавает.
• Пловец, плавающий на спине. Человеческое тело может плавать благодаря воздуху в легких и жиру, который менее плотен, чем вода.
• Кусок дерева, плавающий в реке. Плотность дерева ниже, чем у воды, поэтому оно плавает.
• Резиновая утка, плавающая в ванне. Утка плавучая благодаря своей полой и легкой конструкции.
• Спасательный жилет удерживает человека на плаву. Спасательные жилеты задерживают воздух и повышают общую плавучесть.
• Разлив нефти плавает в морской воде. Нефть менее плотная, чем вода, поэтому она плавает.
• Гелиевый шар, поднимающийся в воздух. Гелий легче воздуха, поэтому воздушный шар находится в плавучем состоянии.
• Рыба регулирует глубину с помощью плавательного пузыря. Рыба контролирует плавучесть, изменяя объем газа в плавательном пузыре.
• Подводная лодка плавает или ныряет путем регулировки балластных цистерн. Плавучесть подводных лодок регулируется с помощью воздуха и воды в цистернах.
• Пляжный мяч, покачивающийся на океанских волнах. Он наполнен воздухом и вытесняет достаточно воды, чтобы оставаться на плаву.
• Грузовое судно, плавающее с тяжелыми контейнерами. Несмотря на нагрузку, корпус вытесняет достаточно воды, чтобы оставаться на плаву.
• Запечатанная пустая бутылка плавает в озере. Воздух внутри поддерживает ее плавучесть.
• Капли лавовой лампы поднимаются и опускаются. Плавучесть меняется из-за нагревания и охлаждения восковых капель.
• Бумажный кораблик, плавающий в луже. Легкая бумажная конструкция вытесняет достаточно воды, чтобы оставаться на плаву (временно).
• Плавающие фонари во время фестивалей. Горячий воздух внутри заставляет их плавать в более прохладном окружающем воздухе.
• Пластиковый контейнер плавает, если его бросить в бассейн. Контейнер менее плотный, чем вода.
• Пузырьки воздуха поднимаются на поверхность газировки. Пузырьки легче жидкости, поэтому плавучесть подталкивает их вверх.
• Камера шины, плавающая в реке. Наполненная воздухом, она вытесняет достаточно воды, чтобы выдерживать вес и плавать.

Типы плавучести

Ниже приведены различные типы плавучести. Три типа плавучести:положительная, отрицательная и нейтральная плавучесть.

Положительные типы плавучести возникают, когда погруженный предмет легче вытесняемой жидкости. Вот почему объект плавает. Типы отрицательной плавучести — это когда погруженный объект плотнее вытесняемой жидкости, что приводит к затоплению объекта.

Наконец, нейтральные виды плавучести возникают, когда вес погружаемого предмета равен весу вытесненной жидкости. Ниже приведены факторы, которые могут влиять на различные типы плавучести.

• Плотность жидкости.
• Объем вытесненной жидкости также может влиять на плавучесть. Наконец,
• Локальное ускорение силы тяжести.

К факторам, которые не влияют на выталкивающую силу, относятся плотность погруженного объекта и масса погруженного объекта.

Плотность и относительная плотность

Чтобы понять концепцию плавучести, необходимо правильно понять концепцию плотности и относительной плотности.

Плотность материалов можно определить как их массу на единицу объема. Это показатель того, насколько плотно материя упакована вместе. Численно он определяется как:

Плотность, ρ=МассОбъем=МВ

• Единица плотности в системе СИ измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м3).
• Плотность составляет 0,9584 грамма на кубический сантиметр при температуре 100 °С.

Относительная плотность вещества определяется как отношение плотности вещества к плотности воды при температуре C. Она также известна как удельный вес вещества.
Относительная плотность =Плотность вещества/Плотность воды при 4°C

Поскольку относительная плотность — это отношение одинаковых величин, она не имеет единицы измерения.

Вы также можете узнать о жидкости из этого подробного руководства!

Почему предметы плавают или тонут в воде

Причину, по которой объекты плавают или тонут в воде, можно понять, если представить, что вода состоит из вышележащих слоев. Это одно над другим с разным давлением. Давление внизу жидкости больше, чем вверху, поэтому мы погружаемся в жидкость некоторыми слоями. Эти слои имеют тенденцию увеличиваться по мере погружения объекта.

За счет разницы давлений в слоях жидкости к ней прикладывается компенсационная сила, направленная вверх. Эта сила приводит к ускорению погруженного объекта в направлении вверх. Сила всегда направлена вертикально.

Другими словами, можно также сказать, что величина восходящей силы в основном эквивалентна разнице давлений на самом верху. Последний слой также эквивалентен весу вытесненной жидкости.

Следствием вышеизложенной концепции является то, что мы называем плавающим. Объект должен быть менее плотным, чем вода; в противном случае большая плотность приведет к затоплению объекта.

Заключение

Плавучесть — это направленная вверх сила, действующая жидкостью и противодействующая весу погруженного в нее объекта. Этот фундаментальный принцип объясняет, почему объекты плавают или тонут, и играет решающую роль в механике жидкости, судостроении, аэронавтике и даже в погодных системах.

Плавучесть, регулируемая принципом Архимеда, зависит от веса вытесняемой жидкости и плотности объекта. Понимание плавучести помогает проектировать плавучие конструкции, прогнозировать поведение жидкости и решать реальные инженерные и научные проблемы.

Часто задаваемые вопросы о плавучести

Что такое плавучесть?

Плавучесть – это направленная вверх сила, создаваемая жидкостью (жидкостью или газом), которая поддерживает вес погруженного в нее объекта.

От чего зависит, будет ли объект плавать или тонуть?

Если плотность объекта меньше плотности жидкости, он плавает; если больше, то он тонет.

Что такое принцип Архимеда?

Он гласит, что выталкивающая сила, действующая на погруженный объект, равна весу жидкости, которую он вытесняет.

Применимо ли плавучесть и к газам?

Да, плавучесть применима как к жидкостям, так и к газам, например, как воздушные шары поднимаются в атмосфере.

Может ли плавучесть быть отрицательной?

Да. Когда вес объекта превышает выталкивающую силу, он имеет отрицательную плавучесть и тонет.

Почему корабли из стали плавают?

Хотя сталь плотная, корабли имеют полые формы, которые вытесняют достаточно воды, чтобы создать выталкивающую силу, превышающую их вес.

https://studentlesson.com/buoyancy-definition-applications-function-causes-types/