如何计算浮力(calculate buoyancy)

浮力是与重力方向相反的作用力,它影响到所有浸泡在液体中的物体。当一个物体被放置在流体中时,物体的重量向下推动流体(液体或气体),而向上的浮力向上推动物体,与重力作用相反。一般来说,这种浮力可以用公式Fb = Vs × D × g来计算,其中Fb是作用在物体上的浮力,Vs是物体的浸没体积,D是物体浸没的液体的密度,g是重力。要学习如何确定一个物体的浮力,请看下面的步骤1开始。...

方法1 方法1的2:使用浮力方程式

  1. 1找出物体被淹没部分的体积。作用在物体上的浮力与物体被淹没的体积成正比。换句话说,一个固体物体被淹没的部分越多,作用在它身上的浮力就越大。这意味着,即使是沉在液体中的物体,也有一个浮力在向上推。要开始计算作用在物体上的浮力,一般来说,你的第一步应该是确定淹没在液体中的物体的体积。对于浮力公式来说,这个数值应该是以米3为单位。对于完全浸没在液体中的物体,浸没的体积将等于物体本身的体积。对于漂浮在流体表面的物体,只考虑流体表面下的体积。作为一个例子,假设我们想找到作用于漂浮在水中的橡胶球的浮力。如果这个球是一个直径为1米(3.3英尺)的完美球体,它正好漂浮在水面上一半的位置,我们可以通过找到整个球的体积并将其分成两半来找到被淹没部分的体积。由于球体的体积是(4/3)π(半径)3,我们知道我们的球的体积是(4/3)π(0.5)3 = 0.524米3。0.524/2=0.262米3被淹没。
  2. Image titled Calculate Buoyancy Step 1
  3. 2找出你的液体的密度。在寻找浮力的过程中,下一步就是要确定物体所浸泡的液体的密度(单位:千克/米3)。密度是衡量一个物体或物质相对于其体积的重量。给定两个体积相同的物体,密度大的物体会更重。一般来说,物体所浸泡的液体的密度越大,浮力就越大。对于流体来说,通常最容易确定的是通过在参考资料中查找密度。在我们的例子中,我们的球漂浮在水中。通过查阅学术资料,我们可以发现水的密度约为1,000公斤/米3。许多其他常见流体的密度在工程资源中列出。这里可以找到一个这样的列表。
  4. Image titled Calculate Buoyancy Step 2
  5. 3找到重力(或其他向下的力)。无论一个物体在它所浸泡的液体中是沉还是浮,它总是受到重力的作用。在现实世界中,这个恒定的向下的力大约等于9.81牛顿/公斤。然而,在另一个力,如离心力,作用于流体和浸在其中的物体的情况下,这也必须被考虑在内,以确定整个系统的总 "向下 "力。在我们的例子中,如果我们处理的是一个普通的、静止的系统,我们可以假设作用在流体和物体上的唯一向下的力是标准的重力--9.81牛顿/公斤。
  6. Image titled Calculate Buoyancy Step 3
  7. 4乘以体积×密度×重力。当你有了物体的体积(米3)、液体的密度(公斤/米3)和重力(或你的系统的向下的力,单位是牛顿/公斤)的数值,求浮力就很容易了。让我们通过将我们的数值插入方程式Fb=Vs×D×g来解决我们的例子问题。Fb=0.262米3×1000公斤/米3×9.81牛顿/公斤=2570牛顿。其他单位相互抵消,剩下的就是牛顿。
  8. Image titled Calculate Buoyancy Step 4
  9. 5通过比较你的物体是否漂浮,与它的引力进行比较。使用浮力方程,很容易找到将物体从它所浸泡的液体中推起来的力。然而,只要做一点额外的工作,也可以确定该物体是漂浮还是下沉。只要找到整个物体的浮力(换句话说,用它的整个体积作为V),然后用公式G=(物体的质量)(9.81米/秒2)找到推动它下沉的重力。如果浮力大于重力,物体就会浮起来。另一方面,如果重力较大,物体就会下沉。如果两者相等,则该物体被称为中性浮力。一个中性浮力物体在水中时,不会浮上水面或沉入水底。它只是悬浮在液体中的顶部和底部之间。例如,我们想知道一个直径为0.75米(2.5英尺)、高度为1.25米(4.1英尺)的20公斤圆柱形木桶是否会浮在水中。这需要几个步骤:我们可以用圆柱形体积公式V=π(半径)2(高度)找到它的体积。V=π(.375)2(1.25)=0.55米3.接下来,假设普通重力和普通密度的水,我们可以求出桶上的浮力。0.55米3×1000公斤/米3×9.81牛顿/公斤=5,395.5牛顿。现在,我们需要找到桶上的重力。G=(20公斤)(9.81米/秒2)=196.2牛顿。这比浮力要小得多,所以木桶会浮起来。
  10. Image titled Calculate Buoyancy Step 5
  11. 6当你的液体是气体时,使用同样的方法。在做浮力问题时,不要忘记,物体所浸泡的液体不一定是液体。气体也算作流体,尽管与其他类型的物质相比,它们的密度很低,但仍然可以支持漂浮在其中的某些物体的重量。一个简单的氦气球就是这方面的证据。因为气球中的气体比它周围的液体(普通空气)的密度小,所以它可以漂浮起来!这就是氦气。
  12. Image titled Calculate Buoyancy Step 6

方法2方法2:做一个简单的浮力实验

  1. 1把一个小碗或杯子放在一个大碗或杯子里。通过一些家用物品,我们很容易看到浮力的作用原理!在这个简单的实验中,我们将证明浸没在水中的物体会受到浮力,因为它所取代的液体体积与浸没在水中的物体体积相等。在这个简单的实验中,我们将证明被淹没的物体会受到浮力,因为它取代的液体体积与被淹没物体的体积相等。在这个过程中,我们还将演示如何通过这个实验实际地找到物体的浮力。首先,将一个小型的开放容器,如碗或杯子,放在一个较大的容器内,如大碗或水桶。
  2. Image titled Calculate Buoyancy Step 7
  3. 2将内部容器装满。接下来,在小的内部容器中装满水。你要让水位达到容器的最顶端而不溢出。这里要小心!如果你溢出任何水,请在再次尝试之前清空较大的容器。为了这个实验的目的,我们可以假定水的标准密度为1000公斤/米3。除非你使用的是盐水或完全不同的液体,否则大多数类型的水的密度将足够接近这一参考值,任何微小的差异都不会改变我们的结果。如果你手头有滴管,这对精确调平内部容器中的水会很有帮助。
  4. Image titled Calculate Buoyancy Step 8
  5. 3 浸入一个小物体。接下来,找一个可以装在内部容器中并且不会被水损坏的小物体。找出这个物体的质量(以公斤为单位)(你可能想使用一个可以给出克数并转换为公斤的天平或秤)。然后,不要让你的手指弄湿,慢慢地、稳定地把这个东西浸入水中,直到它开始漂浮或你能勉强抓住它,然后放手。你应该注意到内层容器中的一些水从边缘溢出到外层容器中。为了我们的例子,让我们假设我们要把质量为0.05公斤的玩具车放进内层容器。我们不需要知道这辆车的体积来计算它的浮力,我们将在下一步看到。
  6. Image titled Calculate Buoyancy Step 9
  7. 4收集并测量溢出的水。当你把一个物体浸没在水中时,它就会置换出一些水--如果它不这样做,就不会有任何空间让它进入水中。当它把这些水推开时,水就会推回来,从而产生浮力。把从内部容器中溢出的水倒入一个小的玻璃量杯中。杯中的水的体积应该等于淹没物体的体积。换句话说,如果你的物体漂浮起来,溢出的水的体积将等于淹没在水面下的物体的体积。如果你的物体下沉,溢出的水的体积将等于整个物体的体积。
  8. Image titled Calculate Buoyancy Step 10
  9. 5计算溢出的水的重量。由于你知道水的密度,而且你可以测量溢出到量杯中的水的体积,所以你可以找到它的质量。只需将其体积换算成米3(在线换算工具,例如这个,在这里可以提供帮助),然后乘以水的密度(1,000公斤/米3)。在我们的例子中,假设我们的玩具车沉入了内部容器,移走了大约两汤匙(0.00003米3)。为了找到水的质量,我们要用它的密度乘以:1,000公斤/米3 × .00003米3 = 0.03公斤。
  10. Image titled Calculate Buoyancy Step 11
  11. 6比较被移走的水的质量和物体的质量。现在你已经知道了你淹没在水中的物体的质量和它所排出的水的质量,比较一下,看哪个更大。如果淹没在内部容器中的物体的质量大于被取代的水的质量,它就应该沉下去。另一方面,如果被移走的水的质量更大,物体就应该漂浮起来。这就是浮力的作用原理--一个物体要有浮力(漂浮),就必须置换出质量大于该物体本身的水。因此,质量小但体积大的物体是最具浮力的物体类型。这一特性意味着空心物体的浮力特别大。想想独木舟--它漂浮得很好,因为它的内部是中空的,所以它能够在没有很高质量的情况下排出大量的水。在我们的例子中,汽车的质量(0.05公斤)比它排出的水(0.03公斤)要大。这与我们观察到的情况一致:汽车下沉。
  12. Image titled Calculate Buoyancy Step 12
  • 使用一个可以在每次读数后设置为零的秤或天平,以帮助获得准确的测量。
  • 发表于 2022-03-11 13:24
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  • 分类:教育

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