3d带连线走势图:怎么樣計算浮力 應該怎么做?

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責任編輯:王嘉善
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共同創作人 Bess Ruff

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浮力是作用方向與重力相反的力,所有物體在水中都會受到浮力的影響。[1]物體被放入包括液體和氣體在內的流體中時,它的重量會向下推壓流體,而向上的浮力則向上推動物體,抵消重力。一般而言,浮力可以使用公式Fb = Vs × D × g來進行計算,其中Fb是作用于物體的浮力,Vs是物體浸入流體的體積,D是物體浸入的流體的密度,而g是重力。要學習如何確定物體的浮力,請從步驟1開始學起。

1使用浮力公式

以Calculate Buoyancy Step 1為標題的圖片

1算出物體浸入部分的體積。作用于物體的浮力與物體浸入的體積成正比?;歡災?,固體物體浸入流體的體積越大,它受到的浮力就越強。這意味著即使是沉入液體的物體,也會受到一個向上的浮力。[2]要著手計算作用于物體的浮力,一般要先確定物體浸入流體的體積。在浮力公式中,這一數值的單位應為m3。

對于完全浸入流體的物體,浸入體積等于物體本身的體積。對于漂浮在流體表面到的物體,則只考慮流體表面以下的體積。

例如,假設我們想算出漂浮在水面上的皮球所受到的浮力。如果球是一個直徑為1 m的完美球體,漂浮時正好有一半浸入水中,那么我們可以先計算整個皮球的體積,然后除以二,從而算出浸入部分的體積。由于球體的體積等于(4/3)π(radius)3,我們可以算出(4/3)π(0.5)3 = 0.524 m3。浸入部分的體積為0.524/2 = 0.262 m3。

以Calculate Buoyancy Step 2為標題的圖片

2測定流體的密度。要計算浮力,下一步我們需要測定物體浸入的流體的密度,密度值使用的單位是kg/m3。密度是單位體積的物體重量或物質重量。假設兩個物體體積相同,密度較高的物體重量會更重。一般來說,物體浸入的流體密度越大,浮力就越大。對于流體而言,要測定其密度,最簡單的方法是在參考資料中進行查詢。

本例中,皮球是在水上漂浮。翻查學習資料后,我們知道水的密度大約為1,000 kg/m3。

很多參考資料都列出了許多其他常見流體的密度,例如此網站。

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3計算重力或其他的向下作用力。無論物體是沉入流體中,還是漂浮于流體表面,它都會受到重力的作用。在現實世界中,這個恒定的向下作用力約等于9.81 N/kg。但是,如果還有離心力等其他力作用于流體和浸入其中的物體,則在確定整個系統受到的“向下”力時,也應該將這些其他力納入考慮之中。[3]

本例中,如果面對的是普通的靜止系統,那么我們可以假設作用于流體和物體的向下力只有標準的重力,即9.81 N/kg。

以Calculate Buoyancy Step 4為標題的圖片

4用體積 × 密度 × 重力。當你知道了以m3為單位的體積值、以kg/m3為單位的流體密度值,以及以N/kg為單位的重力值或系統受到的向下力的大小后,計算浮力就很簡單了。只需要將這3個數值相乘就能計算出以N為單位的浮力值。

讓我們將數值代入到公式Fb = Vs × D × g中,來求出問題的答案。Fb = 0.262 m3 × 1,000 kg/m3 × 9.81 N/kg = 2,570 N。計算過程中,其他單位會相互抵消,只剩下N。

以Calculate Buoyancy Step 5為標題的圖片

5比較物體受到的浮力和重力,看它是否會漂浮。浸入流體的物體會受到向上的推力,使之有可能浮到流體表面,使用浮力公式可以很容易地算出這種推力的大小。只需要再做一點點的額外計算,就能確定物體會浮出表面還是沉入底部。只要算出整個物體受到的浮力,即全部體積Vs浸入流體中時受到的浮力,然后使用公式G = (物體質量)(9.81 m/s2)算出向下作用的重力就可以了。如果浮力大于重力,那么物體就會漂浮。相反,如果重力較大,物體就會下沉。如果兩者相等,那么物體就會呈現出所謂的“浮力平衡”狀態。

在水中浮力平衡的物體既不會漂浮于表面,也不會沉到底部。它會懸浮于流體的頂部和底部之間。[4]

例如,假設我們想知道重20 kg,直徑為0.75 m,高度為1.25 m的圓柱形木桶是否會漂浮在水中。計算步驟如下:

我們可以使用圓柱形體積公式V = π(半徑)2(高)計算出木桶的體積。V = π(.375)2(1.25) = 0.55 m3。

然后,假設重力和水的密度都是正常值,可以算出木桶的浮力。0.55 m3 × 1000 kg/m3 × 9.81 N/kg = 5,395.5 N。

現在,我們需要算出木桶的重力。G = (20 kg)(9.81 m/s2) = 196.2 N。它遠小于浮力,所以木桶會漂浮。

以Calculate Buoyancy Step 6為標題的圖片

6當流體為氣體時,使用相同的方法。解浮力問題時需要注意,物體浸入的流體不一定是液體。氣體也算作流體,盡管相比其他類型的物質,它們的密度很小,但仍然能夠支撐特定物體的重量,使物體呈現出漂浮狀態。[5]氦氣球就證明了這一點。由于氣球中氣體的密度小于周圍流體的密度,也就是周圍正??掌拿芏?,氣球會在空氣中漂??!

2做簡單的浮力實驗

以Calculate Buoyancy Step 7為標題的圖片

1將小碗或杯子放入較大的碗或杯子中。只要使用一些家庭用品,就能了解浮力的作用原理。在這個簡單的實驗中,我們會證明浸入的物體會受到浮力的作用,因為它會排開等于其浸入體積的流體。在這個過程中,我們還將通過這個實驗來實際演示如何計算物體的浮力。首先,將小碗或杯子這樣開放的小容器放入大碗或桶之類的較大容器中。

以Calculate Buoyancy Step 8為標題的圖片

2裝滿內部容器。然后,在內部的小容器中裝滿水。水平面應該與容器頂部平齊,不要有多余的水灑出來。這一步一定要小心!如果水灑了出來,就將大容器清空,然后再次嘗試。

就本實驗而言,可以放心地假設水的密度為標準密度1000 kg/m3。除非你使用的是鹽水或完全不同的其他液體,否則大部分水的密度會接近參考值,即使有點小誤差,也不會影響到我們實驗的結果。[6]

使用滴管有助于精確調整容器內的水平面高度。

以Calculate Buoyancy Step 9為標題的圖片

3將一個小物品浸入水中。然后,找一個能夠放入內部容器且不溶于水的小物品。測定該物品的質量,使用kg作為單位。你可以先用秤或天平測量出物品的克重,再將之轉化成千克質量。然后,在不打濕手指的情況下,緩慢、勻速地將小物品浸入水中,直至它開始漂浮,或手指幾乎無法抓住它為止,然后放手。你會看到有水漫出內部容器的邊緣,灑入外部容器中。

就本實驗而言,假設我們將質量為0.05 kg的玩具汽車放入內部容器中。如下一步所示,要計算小汽車受到的浮力,我們無需知道它的體積。

以Calculate Buoyancy Step 10為標題的圖片

4收集灑出的水并測量其體積。物體浸入水中時,它會排開一部分的水,否則,水中就沒有任何空間來容納該物體。物體將水排開時,水也會對物體產生反作用力,從而形成浮力。將內部容器灑出的水收集起來,倒入小量杯中。杯中水的體積就等于物體浸入的體積。

換而言之,如果物體漂浮,則灑出的水的體積等于物體浸入水面以下的體積。如果物體下沉,則灑出的水的體積等于整個物體的體積。

以Calculate Buoyancy Step 11為標題的圖片

5計算灑出的水的重量。由于已知水的密度,且可以在量杯中測量出灑出的水的體積,所以你可以算出它的質量。將體積轉化為以m3為單位的體積值,你可以使用這個或其在線轉換工具,這一步中它們會非常實用。然后用體積乘以水的密度,即1,000 kg/m3。

在本例中,假設玩具汽車沉入內部容器中,排開了大約兩湯匙的水,也就是0.00003 m3的水。要計算水的質量,我們可以用它乘以水的密度:1,000 kg/m3 × .00003 m3 = 0.03 kg。

以Calculate Buoyancy Step 12為標題的圖片

6比較排開的水的質量與物體的質量。現在已知浸入水中的物體的質量,以及它排開的水的質量,比較一下,看哪一個更大。如果浸入內部容器的物體的質量大于它排開的水的質量,那么物體就會下沉。反之,如果排開的水的質量更大,那么物體就會漂浮。這就是浮力的作用原理,為了讓物體浮起或漂浮,它排開的水的質量必須大于自身的質量。[7]

因此,在各類物體中,質量小但體積大的物體是最容易漂浮的。這一特性意味著中空的物體特別容易漂浮。例如獨木舟,它有很大的浮力,這是因為它的內部是空的,所以在質量不大的情況下,它能排開大量的水。如果獨木舟是實心的,它們的浮力就不會這么強了。

在本例中,小汽車的質量為0.05 kg,大于它排開的水的質量0.03 kg。這與我們觀察到的情況一致:小汽車沉了下去。

小提示

使用每次讀數后可以歸零的秤或天平,有助于獲得準確的測量結果。

你需要準備

小杯子或小碗

大碗或桶

橡皮球等可以浸入水中的物體

量杯

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水的浮力怎么算?

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怎么計算出物體的拉力,怎么計算出物體的浮力,公...

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水的浮力怎么算?

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浮力能怎么算出來?

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請問直徑200mm的不銹鋼浮球的浮力有多大?怎么計算?

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如何計算混凝土浮力?混凝土對模板的吸附力?

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