Como calcular a flutuabilidade (com fotos)

A flutuabilidade é a força que atua em frente à direção da gravidade que afeta todos os objetos submersos em um fluido. Quando um objeto é colocado em um fluido, o peso do objeto empurra para baixo no fluido (líquido ou gás) enquanto uma força de flutuação ascendente empurra para cima no objeto, atuando contra a gravidade. Em termos gerais, esta força de flutuação pode ser calculada com a equação F_B = V_S × d × g, onde F_B é a força de flutuação que está agindo no objeto, v_S O volume submerso do objeto, D é a densidade do fluido que o objeto está submerso, e G é a força da gravidade. Para aprender a determinar a flutuabilidade de um objeto, consulte a etapa 1 abaixo para começar.

Passos

Método 1 de 2:

Usando a equação da força de flutuação

Encontre o volume da parte submersa do objeto. A força da flutuabilidade que atua em um objeto é diretamente proporcional ao volume do objeto que está submerso. Em outras palavras, quanto mais um objeto sólido que é submerso, maior a força da flutuabilidade que age nele. Isso significa que até mesmo objetos que afundem em líquido têm uma força de flutuação empurrando para cima deles. Para começar a calcular a força de flutuação agindo em um objeto, seu primeiro passo deve ser geralmente para determinar o volume do objeto que está submerso no fluido. Para a equação de força de flutuação, esse valor deve ser em metros.

Para objetos que estão completamente submersos no fluido, o volume submerso será igual ao volume do próprio objeto. Para objetos que estão flutuando na superfície de um fluido, apenas o volume sob a superfície do fluido é considerado.
Como exemplo, digamos que queremos encontrar a força de flutuação agindo em uma bola de borracha flutuando na água. Se a bola é uma esfera perfeita com um diâmetro de 1 metro (3.3 pés) e está flutuando exatamente submerso na água, podemos encontrar o volume da porção submersa, encontrando o volume de toda a bola e dividindo-a ao meio. Como o volume de uma esfera é (4/3) π (raio), sabemos que o volume da nossa bola é (4/3) π (0.5) = 0.524 metros. 0.524/2 = 0.262 metros submersos.

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Encontre a densidade do seu fluido. O próximo passo no processo de encontrar a força de flutuação é definir a densidade (em quilogramas / metro) do líquido que o objeto está submerso em. Densidade é uma medida de um objeto ou peso de substância em relação ao seu volume. Dados dois objetos de volume igual, o objeto com a maior densidade pesará mais. Por via de regra, maior a densidade do fluido um objeto está submerso, maior a força da flutuabilidade. Com fluidos, é geralmente mais fácil determinar a densidade simplesmente olhando para cima em materiais de referência.

Em nosso exemplo, nossa bola está flutuando na água. Consultando uma fonte acadêmica, podemos descobrir que a água tem uma densidade de cerca de 1.000 quilogramas / metro.

As densidades de muitos outros fluidos comuns estão listadas em recursos de engenharia. Uma dessas lista pode ser encontrada aqui.

Imagem intitulada Calcular Buoyancy Step 3

3. Encontre a força da gravidade (ou outra força descendente). Se um objeto afunda ou flutua no fluido é submerso, é sempre sujeito à força da gravidade. No mundo real, essa constante força descendente é igual a cerca de 9.81 Newtons / Kilogram. No entanto, em situações em que outra força, como força centrífuga, está agindo no fluido e no objeto submerso, isso também deve ser levado em conta para determinar o total "para baixo" força para todo o sistema.

Em nosso exemplo, se estamos lidando com um sistema estacionário comum, podemos supor que a única força descendente atuando no fluido e objeto é a força padrão da gravidade - 9.81 Newtons / Kilogram.

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4. Multiplique volume × densidade × gravidade. Quando você tem valores para o volume do seu objeto (em metros), a densidade do seu fluido (em quilogramas / metro) e a força da gravidade (ou a força descendente do seu sistema em newtons / kg), encontrando a força de flutuação é fácil. Simplesmente multiplique estas 3 quantidades para encontrar a força da flutuabilidade em newtons.

Vamos resolver nosso problema de exemplo, conectando nossos valores à equação f_B = V_S × d × g. F_B = 0.262 metros × 1.000 kg / metro × 9.81 newtons / kilogram 2.570 Newtons. As outras unidades se cancelam e deixam você com newtons.

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5. Encontre se o seu objeto flutua comparando com sua força de gravidade. Usando a equação de força de flutuação, é fácil encontrar a força que está empurrando um objeto para fora do fluido é submerso em. No entanto, com um pouco de trabalho extra, também é possível determinar se o objeto irá flutuar ou afundar. Simplesmente encontre a força de flutuação para todo o objeto (em outras palavras, use todo o seu volume como V_S), então encontre a força da gravidade, empurrando-a para baixo com a equação g = (massa de objeto) (9.81 metros / segundo). Se a força da flutuabilidade for maior que a força da gravidade, o objeto flutuará. Por outro lado, se a força da gravidade for maior, ela vai afundar. Se eles são iguais, o objeto é dito ser neutral flutuante.

Um objeto neutritamente flutuante não flutuará até a superfície ou afundará até o fundo quando está na água. Ele será apenas suspenso no fluido em algum lugar entre a parte superior e inferior.

Por exemplo, digamos que queremos saber se um barril de madeira cilíndrico de 20 quilogramas com um diâmetro de .75 metros (2.5 pés) e uma altura de 1.25 metros (4.1 pés) flutuará na água. Isso levará várias etapas:

Podemos encontrar seu volume com a fórmula de volume cilíndrica v = π (raio) (altura). V = π (.375) (1.25) = 0.55 metros.

Em seguida, assumindo a gravidade ordinária e a água com densidade ordinária, podemos resolver para a força da flutuabilidade no barril. 0.55 metros × 1000 kg / metro × 9.81 newtons / kilogram 5.395.5 Newtons.

Agora, precisaremos encontrar a força da gravidade no barril. G = (20 kg) (9.81 metros / segundo) = 196.2 Newtons. Isso é muito menos que a força de flutuação, então o barril vai flutuar.

Imagem intitulada Calcular Buoyancy Step 6

6. Use a mesma abordagem quando seu fluido é um gás. Ao realizar problemas de flutuação, não esqueça que o fluido que o objeto está submerso não precisa necessariamente ser um líquido. Gases também contam como fluidos, e, embora tenham densidades muito baixas em comparação com outros tipos de matéria, ainda podem apoiar o peso de certos objetos flutuando neles. Um simples balão de hélio é evidência disso. Porque o gás no balão é menos denso que o fluido em torno dele (ar comum), flutua!

Método 2 de 2:

Realizando um experimento de flutuabilidade simples

1. Coloque uma tigela pequena ou xícara dentro de um maior. Com alguns itens domésticos, é fácil ver os princípios da flutuabilidade em ação! Neste simples experimento, demonstraremos que um objeto submerso experimenta flutuabilidade porque desloca um volume de fluido igual ao volume do objeto submerso. Como fazemos isso, também demonstraremos como praticamente encontrar a força de flutuação de um objeto com este experimento. Para começar, coloque um pequeno recipiente aberto, como uma tigela ou um copo, dentro de um recipiente maior, como uma tigela grande ou um balde.

Imagem intitulada Calcular Buoyancy Step 8

2. Encha o recipiente interno para a borda. Em seguida, preencha o pequeno recipiente interno com água. Você quer que o nível da água seja no topo do recipiente sem derramar. Tenha cuidado aqui! Se você derramar qualquer água, esvazie o contêiner maior antes de tentar novamente.

Para os fins deste experimento, é seguro assumir que a água tem uma densidade padrão de 1000 quilogramas / metro. A menos que você esteja usando água salgada ou um líquido diferente inteiramente, a maioria dos tipos de água terá uma densidade próxima o suficiente para esse valor de referência que qualquer diferença menor não altere nossos resultados.

Se você tem um conta-gotas à mão, isso pode ser muito útil para nivelamento precisamente fora da água no recipiente interno.

Imagem intitulada Calcular Buoyancy Step 9

3. Submergir um pequeno objeto. Em seguida, encontre um pequeno objeto que possa caber dentro do recipiente interno e não será danificado pela água. Encontre a massa deste objeto em quilogramas (você pode usar uma escala ou equilíbrio que possa lhe dar gramas e converter até quilogramas). Então, sem deixar os dedos se molhar, lenta e firmemente mergulhar isso na água até começar a flutuar ou você pode apenas segurar, então deixe ir. Você deve notar parte da água no vazamento do contêiner interno sobre a borda no recipiente externo.

Para os propósitos do nosso exemplo, digamos que estamos baixando um carro de brinquedo com uma massa de 0.05 quilogramas para o recipiente interno. Não precisamos saber o volume deste carro para calcular sua flutuabilidade, como veremos no próximo passo.

Imagem intitulada Calcular Buoyancy Step 10

4. Coletar e mede a água que transborda. Quando você submerge um objeto na água, desloca um pouco da água - se não, não haveria espaço para isso entrar na água. Quando empurra esta água fora do caminho, a água empurra para trás, resultando em flutuabilidade. Pegue a água que se derrame do recipiente interno e despeje-a em um pequeno copo de medição de vidro.O volume de água no copo deve ser igual ao volume do objeto submerso.

Em outras palavras, se o seu objeto flutuar, o volume da água que derrama será igual ao volume do objeto submerso sob a superfície da água. Se o seu objeto afundou, o volume da água que derrama será igual ao volume de todo o objeto.

Imagem intitulada Calcular Buoyancy Step 11

5. Calcule o peso da água derramada. Desde que você conhece a densidade da água e você pode medir o volume da água que se derramou no copo de medição, você pode encontrar sua massa. Basta converter seu volume para medidores (uma ferramenta de conversão online, como Este, pode ser útil aqui) e multiplicar-o pela densidade de água (1.000 quilos / metros).

Em nosso exemplo, vamos dizer que o nosso carro de brinquedo afundou no recipiente interno e deslocou cerca de duas colheres de sopa (.00003 metros). Para encontrar a massa da nossa água, nós multiplicaríamos isso por sua densidade: 1.000 quilogramas / metros × .00003 metros = 0.03 quilos.

6. Comparar a massa de água deslocada para a massa do objeto. Agora que você conhece a massa do objeto que você submergia na água e a massa da água que deslocou, compará-las a ver que é maior. Se a massa do objeto submersa no recipiente interno for maior que a da água deslocada, deve ter afundado. Por outro lado, se a massa da água deslocada for maior, o objeto deve ter flutuado. Este é o princípio da flutuabilidade em ação - para um objeto a ser flutuante (flutuante), ele tem que deslocar uma quantidade de água com uma massa maior que a do próprio objeto.

Assim, objetos com baixas massas, mas grandes volumes são os tipos mais flutuantes de objetos. Esta propriedade significa que objetos ocos são especialmente flutuantes. Pense em uma canoa - flutua bem porque é oco no interior, por isso é capaz de deslocar muita água sem ter uma massa muito alta. Se canoas fossem sólidas, eles não flutuariam muito bem.

Em nosso exemplo, o carro tem uma massa maior (0.05 quilogramas) do que a água deslocada (0.03 quilogramas). Isso linhas com o que observamos: o carro afundou.