Kaldırma kuvveti, bir sıvıya batırılmış tüm nesneleri etkileyen yerçekimine zıt bir kuvvettir. Bir nesne bir sıvıya yerleştirildiğinde, nesnenin kütlesi sıvıya (sıvı veya gaz) bastırırken, kaldırma kuvveti nesneyi yerçekimine karşı iter. Genel anlamda, bu kaldırma kuvveti denklem ile hesaplanabilir. Fa = VT × × g, F ilea kaldırma kuvveti, VT batık cismin hacmi, sıvının yoğunluğu ve g yerçekimi kuvvetidir. Bir nesnenin kaldırma kuvvetinin nasıl belirleneceğini öğrenmek için, başlamak için aşağıdaki 1. Adıma bakın.
Adım
Yöntem 1/2: Yüzdürme Denklemini Kullanma
Adım 1. Nesnenin batık kısmının hacmini bulun
Bir cisme etki eden kaldırma kuvveti, batık cismin hacmi ile orantılıdır. Başka bir deyişle, cismin suya batmış katı kısmı ne kadar büyükse, cisme etki eden kaldırma kuvveti o kadar büyük olur. Bu, bir sıvıya batırılan nesnelerin, nesneyi yukarı iten bir kaldırma kuvvetine sahip olduğu anlamına gelir. Bir cisme etki eden kaldırma kuvvetini hesaplamaya başlamak için ilk adımınız genellikle sıvıya batan cismin hacmini belirlemektir. Kaldırma denklemi için bu değer metre cinsinden olmalıdır.3.
- Bir sıvının içine tamamen batmış bir cisim için, daldırılan hacim, cismin kendisinin hacmine eşittir. Akışkan yüzeyinin üzerinde yüzen nesneler için sadece yüzeyin altındaki hacim hesaplanır.
- Örneğin, su üzerinde yüzen bir lastik top üzerine etkiyen kaldırma kuvvetini bulmak istediğimizi varsayalım. Lastik top 1 m çapında mükemmel bir küre ise ve yarısı su altında yüzüyorsa, batık kısmın hacmini kürenin toplam hacmini bulup ikiye bölerek bulabiliriz. Kürenin hacmi (4/3) (yarıçap) olduğundan3, küremizin hacminin (4/3)π(0, 5) olduğunu biliyoruz3 = 0,524 metre3. 0, 524/2 = 0.262 metre3 lavabo.
Adım 2. Sıvınızın yoğunluğunu bulun
Kaldırma kuvveti bulma sürecindeki bir sonraki adım, yoğunluğu (kilogram/metre cinsinden) tanımlamaktır.3) nesnenin içine daldırıldığı sıvının. Yoğunluk, bir nesnenin veya maddenin kütlesinin hacmine göre bir ölçümüdür. Aynı hacme sahip iki nesne verilirse, yoğunluğu daha büyük olan nesne daha fazla kütleye sahip olacaktır. Kurala göre, cismin batırıldığı sıvının yoğunluğu ne kadar büyükse, kaldırma kuvveti de o kadar büyük olur. Akışkanlarda, yoğunluğu belirlemenin genellikle en kolay yolu, onu bir referans malzemede aramaktır.
- Örneğimizde topumuz suda yüzüyor. Akademik kaynaklara bakarak suyun yoğunluğunun yakl. 1.000 kilogram/metre3.
- Diğer yaygın olarak kullanılan sıvı yoğunlukları mühendislik kaynaklarında listelenmiştir. Listelerden birine buradan ulaşabilirsiniz.
Adım 3. Yerçekimi kuvvetini (veya aşağı doğru başka bir kuvvet) bulun
Bir cismin bir sıvı içinde batması veya yüzmesi, her zaman bir yerçekimi kuvvetine sahiptir. Gerçek dünyada, aşağı doğru kuvvet sabiti şuna eşittir: 9.81 Newton/kilogram. Ancak, merkezkaç kuvveti gibi diğer kuvvetlerin akışkana ve sıvıya batan cisme etki ettiği durumlarda, tüm sistem için aşağı doğru net kuvveti belirlemek için bu kuvvet de dikkate alınmalıdır.
- Örneğimizde, sıradan, statik bir sistemle çalışıyoruz, bu nedenle sıvılara ve nesnelere etki eden tek aşağı yönlü kuvvetin genel yerçekimi kuvveti olduğunu varsayabiliriz - 9.81 Newton/kilogram.
- Peki ya bir kova su içinde yüzen topumuz yatay yönde bir daire çizerek yüksek hızda sallanırsa? Bu durumda, kovanın su ve topun dökülmemesi için yeterince hızlı sallandığını varsayarsak, bu durumda aşağı doğru olan kuvvet, Dünya'nın yerçekiminden değil, kepçenin sallanmasının yarattığı merkezkaç kuvvetinden türetilecektir.
Adım 4. Hacim × yoğunluk × yerçekimini çarpın
Nesnenizin hacim değerine sahipseniz (metre olarak3), sıvınızın yoğunluğu (kilogram/metre olarak3) ve yerçekimi kuvveti (sisteminizdeki aşağı doğru kuvvet), bu nedenle kaldırma kuvveti bulmak çok kolaydır. Kaldırma kuvvetini Newton cinsinden bulmak için bu üç değeri çarpmanız yeterlidir.
Örnek problemimizi F denklemine değerlerimizi ekleyerek çözelim.a = VT × × g. Fa = 0.262 metre3 × 1.000 kilogram/metre3 × 9.81 Newton/kilogram = 2.570 Newton.
Adım 5. Kaldırma kuvvetini yerçekimi kuvvetiyle karşılaştırarak nesnenizin yüzüyor olup olmadığına bakın
Yüzdürme denklemini kullanarak, bir nesneyi sıvıdan yukarı ve dışarı doğru iten kuvveti bulmak kolaydır. Bununla birlikte, biraz ekstra çaba ile bir cismin yüzeceğini veya batacağını belirlemek de mümkündür. Sadece tüm nesne için kaldırma kuvvetini bulun (başka bir deyişle, V'nin değeri için tüm hacmi kullanın)T), sonra onu aşağı iten yerçekimi kuvvetini G = (cismin kütlesi) (9.81 metre/saniye) denklemiyle bulun.2). Kaldırma kuvveti yerçekimi kuvvetinden büyükse cisim yüzer. Öte yandan, yerçekimi kuvveti kaldırma kuvvetinden büyükse, nesne batar. Büyüklükler aynıysa cismin yüzdüğü söylenir.
-
Örneğin, kütlesi 20 kilogram, çapı 0.75 m ve yüksekliği 1.25 m olan ahşap silindirik bir fıçının suda yüzüp yüzmeyeceğini bilmek istediğimizi varsayalım. Bu sorun birkaç adım kullanacaktır:
- Hacmi V = (yarıçap) silindirinin hacmi için formülle bulabiliriz.2(uzun boylu). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metre3.
- Daha sonra, yerçekiminin büyüklüğünün sıradan ve suyun yoğunluğunun normal olduğunu varsayarsak, namlunun kaldırma kuvvetini bulabiliriz. 0,55 metre3 × 1000 kilogram/metre3 × 9.81 Newton/kilogram = 5,395, 5 Newton.
- Şimdi, namlunun yerçekimi kuvvetini bulmamız gerekiyor. G = (20 kg)(9,81 metre/saniye)2) = 196.2 Newton. Bu kuvvet kaldırma kuvvetinden daha azdır, bu nedenle namlu yüzer.
Adım 6. Akışkanınız gaz ise aynı yaklaşımı kullanın
Kaldırma problemleri üzerinde çalışırken, cismin batırıldığı sıvının sıvı olması gerekmediğini unutmayın. Gazlar da sıvıdır ve gazlar diğer maddelere kıyasla çok düşük yoğunluğa sahip olmalarına rağmen, gaz içinde yüzen belirli kütle kütlelerini hala destekleyebilirler. Basit bir helyum balonu bunun kanıtıdır. Balonun içindeki gaz, çevreleyen sıvıdan (ortam havası) daha az yoğun olduğu için balon yüzer!
Yöntem 2/2: Basit Bir Yüzdürme Deneyi Gerçekleştirme
Adım 1. Daha büyük bir kasenin içine küçük bir kase veya fincan yerleştirin
Bazı ev eşyalarıyla, deneyde yüzdürme ilkelerini görmek çok kolay! Bu basit deneyde, batık bir cismin, su altındaki cismin hacmine eşit bir sıvı hacminin yerini aldığı için bir kaldırma kuvvetine maruz kaldığını göstereceğiz. Bunu yaparken, bu deneyle bir cismin kaldırma kuvvetini bulmanın pratik bir yolunu da göstereceğiz. Başlamak için, büyük bir kase veya kova gibi daha büyük bir kabın içine kase veya bardak gibi küçük, açık bir kap yerleştirin.
Adım 2. Küçük kabı ağzına kadar doldurun
Ardından, daha küçük olan iç kabı suyla doldurun. Suyun dökülmeden kap kadar yüksek olmasını istiyorsunuz. Burada dikkatli ol! Su dökerseniz, tekrar denemeden önce daha büyük olan kabı boşaltın.
- Bu deneyin amaçları doğrultusunda, suyun genel yoğunluğunun 1000 kilogram/metre olduğunu varsaymak uygundur.3. Deniz suyu veya tamamen farklı bir sıvı kullanmıyorsanız, çoğu su türü bu referans değerle hemen hemen aynı yoğunluğa sahiptir, bu nedenle küçük bir fark sonuçlarımızı değiştirmeyecektir.
- Göz damlanız varsa, küçük bir kapta su seviyesini yükseltmek için bu çok yararlı olabilir.
Adım 3. Küçük nesneyi daldırın
Ardından, küçük bir kaba sığacak ve sudan zarar görmeyecek küçük bir nesne arayın. Bu cismin kütlesini kilogram olarak bulun (gramı alıp kilograma çevirebilen bir terazi veya terazi kullanmak isteyebilirsiniz). Ardından, parmaklarınızı ıslatmadan, yavaşça ama emin bir şekilde, nesneyi yüzmeye başlayana kadar suya batırın ya da hafifçe tutabilir ve sonra bırakabilirsiniz. Küçük kaptaki suyun bir kısmının dış kaba döküleceğini fark edeceksiniz.
Örneğimiz için, kütlesi 0,05 kilogram olan bir oyuncak arabayı küçük bir kaba daldırdığımızı varsayalım. Kaldırma gücünü hesaplamak için bu arabanın hacmini bilmemize gerek yok çünkü bunu bir sonraki adımda göreceğiz
Adım 4. Dökülen suyu toplayın ve sayın
Bir cismi suya batırdığınızda, suyun bir kısmını yer değiştirir - aksi takdirde cismi suya koyacak yer kalmaz. Bir nesne suyu dışarı ittiğinde, su geri iterek kaldırma kuvveti oluşturur. Dökülen suyu küçük bir kaptan alın ve küçük bir ölçü kabına dökün. Ölçme kabındaki suyun hacmi, daldırılan cismin hacmine eşittir.
Başka bir deyişle, nesneniz yüzüyorsa, dökülen suyun hacmi, su yüzeyinin altına batmış olan nesnenin hacmine eşit olacaktır. Nesneniz batarsa, dökülen suyun hacmi cismin toplam hacmine eşittir
Adım 5. Dökülen suyun kütlesini hesaplayın
Suyun yoğunluğunu bildiğinize ve ölçü kabına dökülen suyun hacmini ölçebildiğinize göre kütlesini de bulabilirsiniz. Sadece ses seviyesini metre olarak değiştirin3 (bunun gibi çevrimiçi dönüştürme yardımcıları yardımcı olabilir) ve suyun yoğunluğuyla (1.000 kilogram/metre) çarpın3).
Örneğimizde, oyuncak arabamızın küçük bir kaba battığını ve yaklaşık iki yemek kaşığı (0,0003 metre) hareket ettiğini varsayalım.3). Suyumuzun kütlesini bulmak için yoğunluğu ile çarpacağız: 1.000 kilogram/metre3 × 0.0003 metre3 = 0.03 kilogram.
Adım 6. Dökülen suyun kütlesini cismin kütlesiyle karşılaştırın
Artık suya batırdığınız cismin kütlesini ve dökülen suyun kütlesini bildiğinize göre, hangi kütlenin daha büyük olduğunu görmek için bunları karşılaştırın. Küçük bir kaba batırılan bir cismin kütlesi dökülen sudan büyükse cisim batar. Öte yandan, dökülen suyun kütlesi daha büyükse, nesne yüzer. Bu, deneyde yüzdürme ilkesidir - bir nesnenin yüzebilmesi için, nesnenin kütlesinden daha büyük bir kütleye sahip bir miktar su ile yer değiştirmesi gerekir.
- Dolayısıyla kütlesi az ama hacmi büyük olan cisimler en kolay yüzen cisim türleridir. Bu özellik, içi boş nesnelerin çok kolay yüzdüğü anlamına gelir. Bir kano hayal edin - kano iyi yüzer çünkü içi boştur, böylece büyük bir kütleye sahip olmadan çok fazla suyu hareket ettirebilir. Kano içi boş (sağlam) değilse, kano düzgün şekilde yüzmeyecektir.
- Örneğimizde, araba dökülen sudan (0,03 kilogram) daha büyük bir kütleye (0,05 kilogram) sahiptir. Bu, gözlemlediğimiz şeyle uyuşuyor: arabalar batıyor.
