Ujuvus on gravitatsioonisuunale vastupidine jõud, mis mõjutab kõiki vedelikku sukeldatud objekte. Kui objekt asetatakse vedelikku, surub objekti kaal vedelikku (vedelikku või gaasi) allapoole, samal ajal kui ülespoole suunatud ujuvusjõud surub objekti ülespoole, toimides gravitatsiooni vastu. Üldiselt saab selle üleslükkejõu arvutada võrrandiga Fb = Vs × D × g, kus Fb on objektile mõjuv üleslükkejõud, Vs on objekti veealune ruumala, D on objekti tihedus. vedelik, millesse objekt on sukeldatud, ja g on gravitatsioonijõud. Objekti ujuvuse määramise kohta lisateabe saamiseks vaadake alustamiseks allolevat sammu 1.
1
Leidke objekti vee all oleva osa maht. Objektile mõjuv ujuvusjõud on otseselt võrdeline vee all oleva objekti mahuga. Teisisõnu, mida rohkem tahket objekti on vee all, seda suurem on sellele mõjuv ujuvusjõud. See tähendab, et isegi vedelikus vajuvatel objektidel on üleslükkejõud, mis surub neid ülespoole. Objektile mõjuva üleslükkejõu arvutamise alustamiseks peaks üldiselt olema esimene samm vedelikku sukeldatud objekti mahu määramine. Ujumisjõu võrrandi puhul peaks see väärtus olema meetrites3. Täielikult vedelikku uputatud objektide puhul on vee all olev maht võrdne objekti enda mahuga. Vedeliku pinnal hõljuvate objektide puhul võetakse arvesse ainult vedeliku pinnaalust mahtu. Näiteks oletame, et tahame leida vees hõljuvale kummikuulile mõjuvat ujuvusjõudu. Kui pall on täiuslik kera läbimõõduga 1 meeter (3,3 jalga) ja see hõljub täpselt poolenisti vees, saame uputatud osa ruumala leida, kui leiame kogu palli ruumala ja jagame selle pooleks. . Kuna kera ruumala on (4/3)Ï€(raadius)3, siis teame, et meie kuuli ruumala on (4/3)Ï€(0.5)3 = 0.524 meetrit3. 0,524/2 = 0,262 meetrit3 vee all.
2
Leidke oma vedeliku tihedus. Järgmine samm üleslükkejõu leidmise protsessis on määrata vedeliku tihedus (kilogrammides/meeter3), millesse objekt on sukeldatud. Tihedus on objekti või aine massi ja selle mahu mõõt. Kahe võrdse mahuga objekti korral kaalub suurema tihedusega objekt rohkem. Reeglina, mida suurema vedeliku tihedusega objekt on sukeldatud, seda suurem on ujuvusjõud. Vedelike puhul on tihedust üldiselt kõige lihtsam määrata lihtsalt võrdlusmaterjalidest otsides. Meie näites hõljub meie pall vees. Akadeemilise allikaga konsulteerides saame teada, et vee tihedus on umbes 1000 kilogrammi meetri kohta3. Paljude teiste levinud vedelike tihedused on loetletud tehnilistes ressurssides. Ühe sellise nimekirja leiate siit.
3
Leidke gravitatsioonijõud (või mõni muu allapoole suunatud jõud). Ükskõik, kas objekt vajub või hõljub vedelikus, millesse see on sukeldatud, on see alati allutatud gravitatsioonijõule. Reaalses maailmas on see pidev allapoole suunatud jõud umbes 9,81 njuutonit kilogrammi kohta. Kuid olukordades, kus vedelikule ja sellesse sukeldatud objektile mõjub mõni muu jõud, näiteks tsentrifugaaljõud, tuleb seda arvesse võtta ka kogu süsteemi allasuunava jõu määramisel. Meie näites, kui kui tegemist on tavalise statsionaarse süsteemiga, võime eeldada, et ainus allapoole suunatud jõud, mis vedelikule ja objektile mõjub, on standardne gravitatsioonijõud 9,81 njuutonit kilogrammi kohta.
4
Korrutage maht × tihedus × gravitatsioon. Kui teil on väärtused objekti ruumala (meetrites3), vedeliku tiheduse (kilogrammides/meetrites3) ja gravitatsioonijõu (või süsteemi allapoole suunatud jõu njuutonites/kilogrammides) väärtused, leiate üleslükkejõu. on lihtne. Lihtsalt korrutage need 3 suurust, et leida üleslükkejõud njuutonites. Lahendame oma näiteülesande, ühendades oma väärtused võrrandisse Fb = Vs × D × g. Fb = 0,262 meetrit3 × 1000 kilogrammi meetri kohta3 × 9,81 njuutonit kilogrammi kohta = 2570 njuutonit. Teised üksused tühistavad üksteist ja jätavad teile Newtonid.
5
Leidke, kas teie objekt hõljub, võrreldes selle gravitatsioonijõuga. Ujuvusjõu võrrandit kasutades on lihtne leida jõudu, mis tõukab objekti veest, millesse see on uputatud, ülespoole. Siiski on väikese lisatööga võimalik kindlaks teha, kas objekt ujub või upub. Lihtsalt leidke kogu objekti üleslükkejõud (teisisõnu kasutage kogu selle mahtu kui Vs), seejärel leidke võrrandiga G = (objekti mass) (9,81 meetrit sekundis2) gravitatsioonijõud, mis surub seda allapoole. Kui ujuvusjõud on suurem kui raskusjõud, hakkab objekt hõljuma. Teisest küljest, kui gravitatsioonijõud on suurem, vajub see alla. Kui need on võrdsed, siis väidetakse, et objekt on neutraalselt ujuv. Neutraalselt ujuv objekt ei hõlju vees pinnale ega vaju põhja. See lihtsalt ripub vedelikus kuskil ülemise ja alumise vahel. Oletame näiteks, et tahame teada, kas 20 kilogrammi silindriline puidust tünn, mille läbimõõt on 0,75 meetrit (2,5 jalga) ja kõrgus 1,25 meetrit ( 4,1 jalga) hõljub vees. See võtab mitu sammu: selle ruumala leiame silindrilise mahu valemiga V = Ï€(raadius)2(kõrgus). V = Ï€(.375)2(1.25) = 0.55 meetrit3.Järgmiseks, eeldades tavalist gravitatsiooni ja tavalise tihedusega vett, saame lahendada tünnile mõjuva ujuvusjõu. 0,55 meetrit3 – 1000 kilogrammi meetri kohta3 – 9,81 njuutonit kilogrammi kohta = 5395,5 njuutonit. Nüüd peame leidma tünnile mõjuva raskusjõu. G = (20 kg) (9,81 meetrit sekundis2) = 196,2 njuutonit. See on palju väiksem kui ujuvusjõud, nii et tünn ujub.
6
Kasutage sama lähenemisviisi, kui teie vedelik on gaas. Ujumisprobleemide lahendamisel ärge unustage, et vedelik, millesse objekt on sukeldatud, ei pea tingimata olema vedelik. Gaase loetakse ka vedelikeks ja kuigi nende tihedus on teist tüüpi ainetega võrreldes väga madal, võivad need siiski taluda teatud neis hõljuvate esemete raskust. Selle tõestuseks on lihtne heeliumi õhupall. Kuna õhupallis olev gaas on vähem tihe kui seda ümbritsev vedelik (tavaline õhk), siis see hõljub!
7
Asetage väike kauss või tass suuremasse. Mõne majapidamistarbega on ujuvuse põhimõtteid lihtne tegevuses näha! Selles lihtsas katses näitame, et vee all olev objekt kogeb ujuvust, kuna see tõrjub välja vedelikumahu, mis on võrdne vee all oleva objekti mahuga. Seda tehes demonstreerime ka, kuidas selle katsega praktiliselt leida objekti ujuvusjõudu. Alustuseks asetage väike avatud anum, näiteks kauss või tass, suurema anuma, näiteks suure kausi või ämbri sisse.
8
Täitke sisemine anum ääreni. Järgmisena täitke väike sisemine anum veega. Soovite, et veetase oleks mahuti ülaosas, ilma et see maha valguks. Olge siin ettevaatlik! Kui vett pritsite, tühjendage suurem anum enne uuesti proovimist. Selle katse puhul võib eeldada, et vee standardtihedus on 1000 kilogrammi meetri kohta3. Kui te ei kasuta täielikult soolast vett või muud vedelikku, on enamiku veetüüpide tihedus sellele võrdlusväärtusele piisavalt lähedane, nii et väikesed erinevused ei muuda tulemusi. Kui teil on käepärast silmatilk, võib see olla väga kasulik sisemise anuma vee täpne tasandamine.
9
Kastke väike objekt vee alla. Järgmiseks leidke väike ese, mis mahub sisemahuti sisse ja mida vesi ei kahjusta. Leidke selle objekti mass kilogrammides (võite kasutada skaalat või kaalu, mis annab teile grammides ja teisendab kuni kilogrammideks). Seejärel, laskmata oma sõrmedel märjaks saada, kastke see aeglaselt ja kindlalt vette, kuni see hakkab hõljuma või suudate vaevu sellest kinni hoida, seejärel laske lahti. Peaksite märkama, et osa sisemahutis olevast veest valgub üle serva välismahutisse. Oletagem meie näite tarbeks, et laseme mänguauto, mille mass on 0,05 kilogrammi, sisemahutisse. Selle ujuvuse arvutamiseks ei pea me teadma selle auto mahtu, nagu näeme järgmises etapis.
10
Koguge ja mõõtke vett, mis üle valgub. Kui kastate objekti vette, tõrjub see osa veest välja, kui seda ei juhtuks, siis poleks sellel vette sisenemiseks ruumi. Kui see lükkab selle vee teelt välja, tõukab vesi tagasi, mille tulemuseks on ujuvus. Võtke sisemisest anumast välja voolanud vesi ja valage see väikesesse klaasist mõõtetopsi. Vee maht tassis peaks olema võrdne vee all oleva eseme mahuga. Teisisõnu, kui teie objekt hõljub, on ülevalguv vesi on võrdne veepinna alla sukeldatud objekti mahuga. Kui teie objekt uppus, on ülevalguva vee maht võrdne kogu objekti mahuga.
11
Arvutage mahavalgunud vee kaal. Kuna teate vee tihedust ja saate mõõta mõõtetopsi voolanud vee mahtu, saate leida selle massi. Lihtsalt teisendage selle maht meetriteks3 (siin võib abiks olla võrgupõhine teisendustööriist, näiteks see) ja korrutage see vee tihedusega (1000 kilogrammi/meetri kohta3). Meie näites oletame, et meie mänguauto uppus sisemine anum ja nihutatud umbes kaks supilusikatäit (0,00003 meetrit3). Meie vee massi leidmiseks korrutaksime selle tihedusega: 1000 kilogrammi/meetri kohta3 × 0,00003 meetrit3 = 0,03 kilogrammi.
12
Võrrelge väljatõrjutud vee massi objekti massiga. Nüüd, kui teate nii vette uputatud objekti massi kui ka selle väljatõrjutud vee massi, võrrelge neid, et näha, kumb on suurem. Kui sisemahutisse uputatud eseme mass on suurem kui väljatõrjutud vee mass, peaks see olema vajunud. Teisest küljest, kui väljatõrjutud vee mass on suurem, oleks objekt pidanud hõljuma. See on ujuvuse põhimõte, et objekt oleks ujuv (hõljuv), see peab välja tõrjuma veekoguse, mille mass on suurem kui objektil endal. Seega on väikese massiga, kuid suure mahuga objektid kõige ujuvamad. objektide tüübid. See omadus tähendab, et õõnsad esemed on eriti ujuvad. Mõelge kanuule, see ujub hästi, kuna see on seest õõnes, nii et see suudab välja tõrjuda palju vett ilma väga suure massita. Kui kanuud oleksid tugevad, ei ujuks need üldse hästi. Meie näites on auto mass (0,05 kilogrammi) suurem kui veeväljasurve (0,03 kilogrammi). See on kooskõlas sellega, mida me täheldasime: auto uppus.