La forza di galleggiamento è una forza opposta alla gravità, che colpisce tutti gli oggetti immersi in un fluido. Quando un oggetto viene posto in un fluido, la massa dell'oggetto preme contro il fluido (liquido o gas), mentre la forza di galleggiamento spinge l'oggetto contro la gravità. In termini generali, questa forza di galleggiamento può essere calcolata dall'equazione Fun = VT × × g, con Fun è la forza di galleggiamento, VT è il volume dell'oggetto sommerso, è la densità del fluido e g è la forza gravitazionale. Per sapere come determinare la galleggiabilità di un oggetto, vedere il passaggio 1 di seguito per iniziare.
Fare un passo
Metodo 1 di 2: utilizzo dell'equazione della galleggiabilità
Passaggio 1. Trova il volume della parte sommersa dell'oggetto
La forza di galleggiamento che agisce su un oggetto è proporzionale al volume dell'oggetto sommerso. In altre parole, maggiore è la parte solida sommersa dell'oggetto, maggiore è la forza di galleggiamento che agisce sull'oggetto. Ciò significa che gli oggetti immersi in un liquido hanno una forza di galleggiamento che spinge l'oggetto verso l'alto. Per iniziare a calcolare la forza di galleggiamento che agisce su un oggetto, il primo passo è solitamente determinare il volume dell'oggetto immerso nel fluido. Per l'equazione della galleggiabilità, questo valore dovrebbe essere in metri3.
- Per un oggetto completamente immerso in un fluido, il volume sommerso è uguale al volume dell'oggetto stesso. Per gli oggetti che galleggiano sopra la superficie del fluido, viene calcolato solo il volume al di sotto della superficie.
- Ad esempio, supponiamo di voler trovare la forza di galleggiamento che agisce su una palla di gomma che galleggia sull'acqua. Se la palla di gomma è una sfera perfetta del diametro di 1 m e galleggia con metà di essa immersa nell'acqua, possiamo trovare il volume della parte sommersa trovando il volume totale della sfera e dividendo per due. Poiché il volume della sfera è (4/3) (raggio)3, sappiamo che il volume della nostra sfera è (4/3)π(0, 5)3 = 0,524 metri3. 0, 524/2 = 0,262 metri3 Lavello.
Passaggio 2. Trova la densità del tuo fluido
Il passo successivo nel processo di ricerca della galleggiabilità è definire la densità (in chilogrammi/metro3) del fluido in cui è immerso l'oggetto. La densità è una misura della massa di un oggetto o di una sostanza rispetto al suo volume. Se vengono dati due oggetti con lo stesso volume, l'oggetto con la maggiore densità avrà più massa. Secondo la regola, maggiore è la densità del fluido in cui è immerso l'oggetto, maggiore è la forza di galleggiamento. Con i fluidi, di solito il modo più semplice per determinare la densità è semplicemente cercarla in un materiale di riferimento.
- Nel nostro esempio, la nostra palla galleggia nell'acqua. Esaminando le fonti accademiche, possiamo scoprire che l'acqua ha una densità di ca. 1.000 chilogrammi/metro3.
- Altre densità di fluidi ampiamente utilizzate sono elencate nelle fonti di ingegneria. Uno degli elenchi può essere trovato qui.
Passaggio 3. Trova la forza di gravità (o qualche altra forza verso il basso)
Sia che un oggetto affondi o galleggi in un fluido, ha sempre una forza gravitazionale. Nel mondo reale, la costante della forza verso il basso è uguale a 9,81 newton/chilogrammo. Tuttavia, in situazioni in cui altre forze, come la forza centrifuga, agiscono sul fluido e sull'oggetto immerso in esso, anche questa forza deve essere presa in considerazione per determinare la forza netta verso il basso per l'intero sistema.
- Nel nostro esempio, stiamo lavorando con un normale sistema statico, quindi possiamo assumere che l'unica forza verso il basso che agisce su fluidi e oggetti sia la forza gravitazionale generale - 9,81 newton/chilogrammo.
- Tuttavia, cosa succede se la nostra palla, che galleggia in un secchio d'acqua, viene fatta oscillare in un cerchio in direzione orizzontale ad alta velocità? In questo caso, supponendo che il secchio venga fatto oscillare abbastanza velocemente da non far fuoriuscire l'acqua e la palla, la forza verso il basso in questa situazione sarà derivata dalla forza centrifuga creata dall'oscillazione del secchio, non dalla gravità terrestre.
Passaggio 4. Moltiplicare volume × densità × gravità
Se hai il valore del volume del tuo oggetto (in metri3), la densità del tuo fluido (in chilogrammi/metro3), e la forza di gravità (la forza verso il basso sul tuo sistema), quindi trovare la galleggiabilità è molto facile. Basta moltiplicare questi tre valori per trovare la forza di galleggiamento in newton.
Risolviamo il nostro problema di esempio inserendo i nostri valori nell'equazione Fun = VT × × g. Fun = 0,262 metri3 × 1.000 chilogrammi/metro3 × 9,81 newton/chilogrammo = 2.570 newton.
Passaggio 5. Verifica se il tuo oggetto galleggia confrontando la galleggiabilità con la forza gravitazionale
Usando l'equazione di galleggiamento, è facile trovare la forza che spinge un oggetto verso l'alto e fuori dal fluido. Tuttavia, con un piccolo sforzo in più, è anche possibile determinare se un oggetto galleggerà o affonderà. Basta trovare la forza di galleggiamento per l'intero oggetto (in altre parole, utilizzare l'intero volume per il valore di VT), quindi trovare la forza gravitazionale spingendola verso il basso con l'equazione G = (massa dell'oggetto) (9,81 metri/secondo2). Se la forza di galleggiamento è maggiore della forza gravitazionale, l'oggetto galleggerà. D'altra parte, se la forza gravitazionale è maggiore della forza di galleggiamento, l'oggetto affonderà. Se le grandezze sono le stesse, si dice che l'oggetto galleggia.
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Ad esempio, supponiamo di voler sapere se un barile cilindrico di legno con una massa di 20 chilogrammi e un diametro di 0,75 me un'altezza di 1,25 m galleggerà nell'acqua. Questo problema utilizzerà diversi passaggi:
- Possiamo trovare il volume con la formula per il volume del cilindro V = (raggio)2(alto). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metri3.
- Quindi, supponendo che la grandezza della gravità sia ordinaria e quella dell'acqua di densità ordinaria, possiamo trovare la forza di galleggiamento della canna. 0,55 metri3 × 1000 chilogrammi/metro3 × 9,81 newton/chilogrammo = 5.395, 5 newton.
- Ora dobbiamo trovare la forza gravitazionale della canna. G = (20 kg) (9,81 metri/secondo2) = 196.2 newton. Questa forza è inferiore alla forza di galleggiamento, quindi la canna galleggerà.
Passaggio 6. Utilizzare lo stesso approccio se il fluido è un gas
Quando si lavora su problemi di galleggiamento, non dimenticare che il fluido in cui è immerso l'oggetto non deve essere un liquido. Anche i gas sono fluidi e, sebbene i gas abbiano una densità molto bassa rispetto ad altre sostanze, possono ancora sostenere determinate masse di oggetti galleggianti nel gas. Un semplice pallone ad elio ne è la prova. Poiché il gas nel pallone è meno denso del fluido circostante (aria ambiente), il pallone galleggia!
Metodo 2 di 2: Esecuzione di un semplice esperimento di galleggiabilità
Passaggio 1. Metti una piccola ciotola o una tazza all'interno di una ciotola più grande
Con alcuni articoli per la casa, è facile vedere i principi della galleggiabilità nell'esperimento! In questo semplice esperimento, dimostreremo che un oggetto sommerso sperimenta una forza di galleggiamento perché sposta un volume di fluido pari al volume dell'oggetto sommerso. Mentre lo facciamo, dimostreremo anche un modo pratico per trovare la forza di galleggiamento di un oggetto con questo esperimento. Per iniziare, metti un piccolo contenitore aperto, come una ciotola o una tazza, all'interno di un contenitore più grande, come una ciotola grande o un secchio.
Passaggio 2. Riempi il piccolo contenitore fino all'orlo
Quindi, riempire il contenitore interno più piccolo con acqua. Vuoi che l'acqua sia alta quanto il contenitore senza fuoriuscite. Stai attento qui! Se versi dell'acqua, svuota il contenitore più grande prima di riprovare.
- Ai fini di questo esperimento, va bene supporre che l'acqua abbia una densità generale di 1000 chilogrammi/metro3. A meno che non si utilizzi acqua di mare o un liquido completamente diverso, la maggior parte dei tipi di acqua ha quasi la stessa densità di questo valore di riferimento, quindi una piccola differenza non cambierà i nostri risultati.
- Se hai un collirio, questo può essere molto utile per aumentare il livello dell'acqua in un piccolo contenitore.
Passaggio 3. Immergi il piccolo oggetto
Quindi, cerca un piccolo oggetto che possa entrare in un piccolo contenitore e non venga danneggiato dall'acqua. Trova la massa di questo oggetto in chilogrammi (potresti voler usare una bilancia o una bilancia che può prendere grammi e convertirli in chilogrammi). Quindi, senza bagnarti le dita, lentamente ma inesorabilmente, immergi l'oggetto nell'acqua finché non inizia a galleggiare oppure puoi tenerlo leggermente e poi rilasciarlo. Noterai che parte dell'acqua nel piccolo contenitore si riverserà nel contenitore esterno.
Ai fini del nostro esempio, supponiamo di immergere un'auto giocattolo con una massa di 0,05 chilogrammi in un piccolo contenitore. Non abbiamo bisogno di conoscere il volume di questa vettura per calcolare la sua galleggiabilità perché lo vedremo nel prossimo passaggio
Passaggio 4. Raccogliere e contare l'acqua versata
Quando immergi un oggetto nell'acqua, sposta parte dell'acqua, altrimenti non ci sarà spazio per mettere l'oggetto nell'acqua. Quando un oggetto spinge fuori l'acqua, l'acqua respinge, creando una forza di galleggiamento. Prendi l'acqua versata da un piccolo contenitore e versala in un piccolo misurino. Il volume dell'acqua nel misurino è uguale al volume dell'oggetto sommerso.
In altre parole, se il tuo oggetto galleggia, il volume d'acqua che fuoriesce sarà uguale al volume dell'oggetto che è immerso sotto la superficie dell'acqua. Se il tuo oggetto affonda, il volume di acqua che fuoriesce è uguale al volume totale dell'oggetto
Passaggio 5. Calcolare la massa dell'acqua versata
Poiché conosci la densità dell'acqua e puoi misurare il volume dell'acqua che fuoriesce nel misurino, puoi trovare la sua massa. Basta cambiare il volume in metri3 (aiuti di conversione online, come questo, possono aiutare) e moltiplicare per la densità dell'acqua (1.000 chilogrammi/metro3).
Nel nostro esempio, supponiamo che la nostra macchinina affondi in un piccolo contenitore e si muova di circa due cucchiai (0,0003 metri3). Per trovare la massa della nostra acqua, la moltiplichiamo per la sua densità: 1.000 chilogrammi/metro3 × 0,0003 metri3 = 0,03 chilogrammi.
Passaggio 6. Confronta la massa dell'acqua versata con la massa dell'oggetto
Ora che conosci la massa dell'oggetto che stai immergendo nell'acqua e la massa dell'acqua che è stata versata, confrontale per vedere quale massa è più grande. Se la massa di un oggetto immerso in un piccolo contenitore è maggiore dell'acqua versata, l'oggetto affonderà. Se invece la massa dell'acqua versata è maggiore, l'oggetto galleggerà. Questo è il principio della galleggiabilità nell'esperimento: affinché un oggetto galleggi, deve spostare una quantità di acqua con una massa maggiore della massa dell'oggetto stesso.
- Pertanto, gli oggetti con massa ridotta ma volume elevato sono i tipi di oggetti che galleggiano più facilmente. Questa proprietà significa che gli oggetti cavi galleggiano molto facilmente. Immagina una canoa: la canoa galleggia bene perché è vuota all'interno, quindi può spostare molta acqua senza dover avere una grande massa. Se la canoa non è cava (solida), la canoa non galleggerà correttamente.
- Nel nostro esempio, l'auto ha una massa maggiore (0,05 chilogrammi) rispetto all'acqua versata (0,03 chilogrammi). Questo concorda con quanto osserviamo: le auto affondano.
