Comment calculer la flottabilité (avec des images)

La flottabilité est la force agissant en face de la direction de la gravité qui affecte tous les objets submergés dans un fluide. Lorsqu`un objet est placé dans un fluide, le poids de l`objet pousse sur le fluide (liquide ou gaz) pendant qu`une force de flottabilité ascendante pousse vers le haut sur l`objet, agissant contre la gravité. En termes généraux, cette force de flottabilité peut être calculée avec l`équation F_b = V_s × D × G, où f_b est la force de flottabilité qui agit sur l`objet, v_s est le volume submergé de l`objet, D est la densité du fluide que l`objet est immergé et G est la force de la gravité. Pour apprendre à déterminer la flottabilité d`un objet, voir l`étape 1 ci-dessous pour commencer.

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Méthode 1 de 2:

Utilisation de l`équation de la force de flottabilité

Trouver le volume de la partie submergée de l`objet. La force de la flottabilité qui agit sur un objet est directement proportionnelle au volume de l`objet immergé. En d`autres termes, plus d`un objet solide immergé, plus la force de la flottabilité qui y agit. Cela signifie que même des objets qui coulent dans un liquide ont une force de flottabilité poussant vers le haut. Pour commencer à calculer la force de flottabilité agissant sur un objet, votre première étape doit généralement être de déterminer le volume de l`objet immergé dans le fluide. Pour l`équation de la force de la flottabilité, cette valeur devrait être en mètres.

Pour les objets complètement submergés en liquide, le volume submergé sera égal au volume de l`objet lui-même. Pour les objets flottant sur la surface d`un fluide, seul le volume sous la surface du fluide est considéré.
Par exemple, disons que nous voulons trouver la force de flottabilité agissant sur une balle en caoutchouc flottant dans l`eau. Si la balle est une sphère parfaite d`un diamètre de 1 mètre (3.3 FT) et il plonge exactement à mi-chemin submergé dans l`eau, nous pouvons trouver le volume de la partie immergée en trouvant le volume de la balle entière et en la divisant en deux. Étant donné que le volume d`une sphère est (4/3) π (rayon), nous savons que notre volume de balle est (4/3) π (0.5) = 0.524 mètres. 0.524/2 = 0.262 mètres submergé.

Image intitulée Calculez la flottabilité STEP 2

Trouver la densité de votre fluide. La prochaine étape dans le processus de recherche de la force de flottabilité consiste à définir la densité (en kilogrammes / mètre) du liquide que l`objet est immergé dans. La densité est une mesure d`un objet ou d`un poids de substance par rapport à son volume. Donné deux objets de volume égal, l`objet avec la densité la plus élevée pèse plus. En règle générale, plus la densité de fluide est élevée, plus la force de la flottabilité est importante. Avec des fluides, il est généralement plus facile de déterminer la densité simplement en le regardant dans des matériaux de référence.

Dans notre exemple, notre balle flottant dans l`eau. En consultant une source académique, nous pouvons trouver que l`eau a une densité d`environ 1 000 kilogrammes / mètres.

Les densités de nombreux autres fluides courants sont énumérées dans les ressources d`ingénierie. Une telle liste peut être trouvée ici.

Image intitulée Calculez la flottabilité STEP 3

3. Trouvez la force de gravité (ou une autre force descendante). Si un objet coule ou flotte dans le fluide qu`il est submergé, il est toujours soumis à la force de la gravité. Dans le monde réel, cette force descendante constante est égale à environ 9.81 Newtons / Kilogramme. Cependant, dans des situations dans lesquelles une autre force, comme la force centrifuge, agit sur le fluide et l`objet submergé, cela doit également être pris en compte pour déterminer le total "vers le bas" Forcer pour l`ensemble du système.

Dans notre exemple, si nous traitons avec un système d`arrêt ordinaire, nous pouvons supposer que la seule force descendante agissant sur le fluide et l`objet est la force de gravité standard - 9.81 Newtons / Kilogramme.

Image intitulée Calculer la flottabilité STEP 4

4. Multiplier Volume × Densité × Gravity. Lorsque vous avez des valeurs pour le volume de votre objet (en mètres de mesure), la densité de votre fluide (en kilogrammes / mètre) et la force de gravité (ou la force descendante de votre système en newtons / kilogrammes), trouvant la force de flottabilité est facile. Multiplier simplement ces 3 quantités pour trouver la force de la flottabilité chez les nouveaux tons.

Sassisons notre exemple de problème en branchant nos valeurs dans l`équation f_b = V_s × D × G. F_b = 0.262 mètres × 1 000 kilogrammes / mètre × 9.81 Newtons / Kilogramme = 2 570 Newtons. Les autres unités s`annulent et vous laissent avec Newtons.

Image intitulée Calculez la flottabilité Étape 5

5. Trouvez si votre objet flotte en comparant avec sa force de gravité. En utilisant l`équation de la force de flottabilité, il est facile de trouver la force qui pousse un objet à l`écart du fluide qu`il est submergé dans. Cependant, avec un peu de travail supplémentaire, il est également possible de déterminer si l`objet va flotter ou couler. Trouvez simplement la force de flottabilité de l`objet entier (en d`autres termes, utilisez tout son volume en tant que V_s), puis trouvez la force de la gravité en le poussant avec l`équation g = (masse d`objet) (9.81 mètres / seconde). Si la force de la flottabilité est supérieure à la force de gravité, l`objet flottera. D`autre part, si la force de la gravité est plus grande, elle coulera. S`ils sont égaux, l`objet est dit être neutre flottant.

Un objet flottant neutre ne flottera pas jusqu`à la surface ou ne coulera pas jusqu`au fond quand il est dans l`eau. Il sera juste suspendu dans le fluide quelque part entre le haut et le bas.

Par exemple, disons que nous voulons savoir si un tonneau en bois cylindrique de 20 kilogramrammes avec un diamètre de .75 mètres (2.5 ft) et une hauteur de 1.25 mètres (4.1 ft) flotte dans l`eau. Cela prendra plusieurs étapes:

Nous pouvons trouver son volume avec la formule cylindrique Volume V = π (rayon) (hauteur). V = π (.375) (1.25) = 0.55 mètres.

Ensuite, en supposant la gravité ordinaire et l`eau avec une densité ordinaire, nous pouvons résoudre la force de la flottabilité sur le baril. 0.55 mètres × 1000 kilogrammes / mètre × 9.81 Newtons / Kilogramme = 5 395.5 Newtons.

Maintenant, nous devrons trouver la force de la gravité sur le baril. G = (20 kg) (9.81 mètres / seconde) = 196.2 newtons. C`est beaucoup moins que la force de flottabilité, de sorte que le canon flottera.

Image intitulée Calculez la flottabilité STEP 6

6. Utilisez la même approche lorsque votre fluide est un gaz. Lorsque vous effectuez des problèmes de flottabilité, n`oubliez pas que le fluide que l`objet est immergé ne doit pas nécessairement être un liquide. Les gaz comptent également comme des fluides et, bien qu`ils aient des densités très faibles comparées à d`autres types de matière, peuvent toujours supporter le poids de certains objets flottant en eux. Un simple ballon d`hélium est la preuve de cette. Parce que le gaz dans le ballon est moins dense que le fluide autour de celui-ci (air ordinaire), il flotte!

Méthode 2 sur 2:

Effectuer une simple expérience de flottabilité

1. Placez un petit bol ou une tasse à l`intérieur d`un plus grand. Avec quelques articles ménagers, il est facile de voir les principes de la flottabilité en action! Dans cette expérience simple, nous démontrerons qu`un objet submergé des expériences de la flottabilité, car il déplace un volume de fluide égal au volume de l`objet immergé. Comme nous le faisons, nous démontrerons également comment trouver pratiquement une force de flottabilité d`un objet avec cette expérience. Pour commencer, placez un petit conteneur ouvert, comme un bol ou une tasse, à l`intérieur d`un récipient plus grand, comme un grand bol ou un godet.

Image intitulée Calculez la flottabilité STEP 8

2. Remplissez le conteneur intérieur au bord. Ensuite, remplissez le petit récipient intérieur avec de l`eau. Vous voulez que le niveau d`eau soit au sommet du conteneur sans renversement. Soyez prudent ici! Si vous renversez de l`eau, videz le plus grand conteneur avant d`essayer à nouveau.

Aux fins de cette expérience, il est prudent de supposer que l`eau a une densité standard de 1000 kilogrammes / mètres. Sauf si vous utilisez entièrement l`eau salée ou un liquide différent, la plupart des types d`eau auront une densité suffisamment proche de cette valeur de référence que toute différence mineure ne modifiera pas nos résultats.

Si vous avez une pipette pratique, cela peut être très utile pour niveler avec précision l`eau dans le récipient intérieur.

Image intitulée Calculez la flottabilité Étape 9

3. Submerger un petit objet. Ensuite, trouvez un petit objet qui peut s`intégrer à l`intérieur du conteneur intérieur et ne sera pas endommagé par l`eau. Trouvez la masse de ce objet en kilogrammes (vous voudrez peut-être utiliser une échelle ou une balance pouvant vous donner des grammes et convertir en kilogrammes). Ensuite, sans laisser vos doigts mouillez, plongez lentement et régulièrement dans l`eau jusqu`à ce qu`il commence à flotter ou que vous puissiez à peine y rester, puis laisser aller. Vous devriez remarquer une partie de l`eau dans le récipient intérieur se déversant sur le bord dans le récipient extérieur.

Aux fins de notre exemple, disons que nous abaissons une voiture de jouet avec une masse de 0.05 kilogrammes dans le récipient intérieur. Nous n`avons pas besoin de connaître le volume de cette voiture pour calculer sa flottabilité, comme nous le verrons à l`étape suivante.

Image intitulée Calculez la flottabilité STEP 10

4. Collecter et mesurer l`eau qui déversait. Lorsque vous immergez un objet dans l`eau, il déplace une partie de l`eau - si elle ne le serait pas, il n`y aurait pas d`espace pour entrer dans l`eau. Quand il pousse cette eau à l`écart, l`eau reveille, entraînant la flottabilité. Prenez l`eau qui s`est renversée du récipient intérieur et versez-la dans une petite tasse de mesure de verre.Le volume d`eau dans la tasse doit être égal au volume de l`objet immergé.

En d`autres termes, si votre objet flotte, le volume de l`eau qui se déverse sera égal au volume de l`objet submergé sous la surface de l`eau. Si votre objet a coulé, le volume de l`eau qui déverse sera égal au volume de l`objet entier.

Image intitulée Calculer la flottabilité étape 11

5. Calculer le poids de l`eau renversée. Depuis que vous connaissez la densité de l`eau et vous pouvez mesurer le volume de l`eau qui s`est renversé dans la tasse à mesurer, vous pouvez trouver sa masse. Convertir simplement son volume en mètres (un outil de conversion en ligne, tel que celui-ci, peut être utile ici) et la multiplier par la densité d`eau (1 000 kilogrammes / mètres).

Dans notre exemple, disons que notre voiture de jouets s`est enfoncée dans le conteneur intérieur et a déplacé environ deux cuillères à soupe (.00003 mètres). Pour trouver la masse de notre eau, nous la multiplierions par sa densité: 1 000 kilogrammes / mètres × .00003 mètres = 0.03 kilogrammes.

Image intitulée Calculez la flottabilité STEP 12

6. Comparer la masse de l`eau déplacée à la masse de l`objet. Maintenant que vous connaissez la masse des deux objets que vous avez immergée dans l`eau et la masse de l`eau qu`il a déplacée, comparez-les à voir ce qui est plus grand. Si la masse de l`objet submergé dans le récipient intérieur est supérieure à celle de l`eau déplacée, il aurait dû creuser. D`autre part, si la masse de l`eau déplacée est supérieure, l`objet aurait dû flotter. C`est le principe de la flottabilité en action - pour un objet à être flottant (flotteur), il doit remplacer une quantité d`eau avec une masse supérieure à celle de l`objet lui-même.

Ainsi, des objets avec des masses basses mais de gros volumes sont les types d`objets les plus purs. Cette propriété signifie que les objets creux sont particulièrement putain. Pensez à un canot - il flotte bien parce qu`il est creux à l`intérieur, il est donc capable de remplacer beaucoup d`eau sans avoir une masse très élevée. Si des canoës étaient solides, ils ne flotteraient pas très bien du tout.

Dans notre exemple, la voiture a une masse plus élevée (0.05 kilogrammes) que l`eau qu`elle a déplacée (0.03 kilogrammes). Cela se déroule avec ce que nous avons observé: la voiture a coulé.