كيفية حساب قوة الطفو

الطفو هو القوة المؤثرة ضد الجاذبية التي تؤثر على جميع الأجسام المغمورة في سائل. يضغط وزن الجسم على السائل عند وضعه فيه (سائل أو غاز) بينما تدفعه قوة الطفو لأعلى ضد الجاذبية. يمكن حساب قوة الطفو هذه عمومًا بالصيغة Fb = Vs * D * G حيث Fb هي قوة الطفو، Vs هي الحجم المغمور، d هي كثافة السائل الذي ينغمس فيه الجسم، و G هي قوة الجاذبية . انظر الخطوة 1 أدناه لبدء تعلم كيفية تحديد طفو الكائن.

خطوات

استخدم معادلة قوة الطفو

1. 1 جزء مغمور من الجسم. قوة الطفو المؤثرة على الجسم تتناسب طرديا مع حجم الجزء المغمور. بمعنى آخر كلما زاد الجزء المغمور من الجسم الصلب، زادت قوة الطفو المؤثرة عليه. هذا يعني أنه حتى الأشياء التي تغرق في سائل لها قوة طفو تدفعها للأعلى. بشكل عام، يجب أن تكون خطوتك الأولى في حساب قوة الطفو على جسم ما هي تحديد حجم الجسم المغمور في سائل. يجب قياس هذه القيمة بالأمتار 3 في معادلة حساب الطفو.

   • الحجم المغمور يساوي حجم الجسم نفسه في حالة الأجسام المغمورة بالكامل في السائل. أما بالنسبة للأجسام التي تطفو على سطح السائل، فنحن نأخذ حجم الجزء الذي يقع تحت السطح فقط.
   • على سبيل المثال، لنفترض أننا نريد إيجاد قوة الطفو المؤثرة على كرة مطاطية تطفو في الماء. يمكننا إيجاد حجم الجزء المغمور إذا كانت الكرة عبارة عن كرة كاملة قطرها 30 سم وتطفو بحيث تصبح نصف مغمورة بالكامل في الماء عن طريق إيجاد الحجم الإجمالي للكرة وقسمتها على اثنين. نعلم أن حجم الكرة هو (4/3) pi (r) 3، وهذا يعني في هذه الحالة (4/3) pi (0.5) 3 = 0.524m3. 0.524 / 2 = 0.262 م 3 مغمورة.

2. 2. الخطوة التالية في إيجاد قوة الطفو هي تحديد كثافة المائع (بالكيلو جرام / م 3) الذي ينغمس فيه الجسم. الكثافة هي قياس وزن الجسم أو المادة بالنسبة لحجمها. عندما يكون هناك جسمان متساويان في الحجم، كلما زادت الكثافة، زاد الوزن. كقاعدة عامة، كلما زادت كثافة السائل الذي ينغمس فيه الجسم، زادت قوة الطفو. من الأسهل تحديد الكثافة من خلال النظر إليها في المواد المرجعية للسوائل بشكل عام.

   • الكرة تطفو في الماء في مثالنا. يمكننا أن نجد – بالرجوع إلى مصدر أكاديمي – أن كثافة المياه تتراوح بين 1000 كجم / م 3.
   • يتم إعطاء كثافات العديد من السوائل الشائعة الأخرى في الموارد الهندسية. يمكنك أن تجد قائمة مماثلة.

3. 3 أوجد قوة الجاذبية (أو أي قوة أخرى لأسفل). يتأثر الجسم دائمًا بقوة الجاذبية، سواء كان مغمورًا في سائل أو عائمًا فيه. في الحياة الواقعية، تبلغ هذه القوة الهبوطية الثابتة حوالي 9.81 نيوتن / كجم. ولكن في الحالات الأخرى التي تعمل فيها قوى أخرى – مثل قوة الطرد المركزي – على السائل والشيء المغمور فيه، يجب أن تؤخذ في الاعتبار لتحديد القوة الكلية التي تعمل في الاتجاه الهابط في النظام بأكمله.

   • يمكننا أن نفترض في مثالنا – إذا كنا نتعامل مع نظام ثابت ثابت – أن القوة الوحيدة المؤثرة لأسفل على السائل والجسم هي قوة الجاذبية القياسية 9.81 نيوتن / كجم.
   • ولكن ماذا لو كانت كرتنا تطفو في دلو من الماء يتأرجح بسرعة كبيرة في دائرة أفقية سنشتق القوة الهابطة في هذه الحالة، على افتراض أن الدلو يتأرجح بسرعة كافية بحيث لا تسقط الكرة والماء منه، من قوة الطرد المركزي الناتجة عن تأرجح الجرافة وليس عن طريق الجاذبية.

4. 4 اضرب الحجم في الكثافة بالجاذبية. يصبح العثور على الطفو أمرًا سهلاً عندما تعرف قيم حجم الجسم (بالمتر المكعب)، وكثافة السائل (بالكيلو جرام / متر مكعب)، وقوة الجاذبية (أو القوة الهابطة في نظامك) . اضرب هذه الكميات الثلاث لإيجاد قوة الطفو بالنيوتن.

   • لنحل مشكلة المثال عن طريق إدخال هذه القيم في المعادلة Fb = Vs × D × g. Fb = 0.262 م 3 × 1000 كجم / م 3 × 9.81 نيوتن / كجم = 2570 نيوتن.

5. 5 اكتشف ما إذا كان جسمك يتمتع بالطفو مقارنة بسحب الجاذبية. من السهل العثور على القوة التي تدفع الجسم للأعلى في السائل الذي يغمره باستخدام معادلة قوة الطفو، ولكن يمكنك أيضًا تحديد ما إذا كان الجسم سوف يطفو أو يغرق مع القليل من العمل الإضافي. أوجد قوة الطفو لكامل الجسم (بمعنى آخر، استخدم حجمه الكامل لتعويض Vs) ثم أوجد قوة الجاذبية التي تدفعه لأسفل بالصيغة G = (كتلة الجسم) (9.81 m / s) ). سوف يطفو الجسم إذا كانت قوة الطفو أكبر من قوة الجاذبية. على العكس من ذلك، ستغرق إذا كانت قوة الجاذبية أكبر. يُقال أن الكائن محايد في الطفو إذا كانت القوتان متساويتين.

   • على سبيل المثال، لنفترض أننا نريد معرفة ما إذا كان برميل أسطواني كتلته 20 كجم وقطره 0.75 مترًا وارتفاعه 1.25 مترًا سوف يطفو في الماء. سيستغرق ذلك عدة خطوات
     • يمكننا إيجاد حجمها من خلال صياغة حجم الأسطوانة V = π (القطر) 2 (الارتفاع). V = باي (.375) 2 (1.25) = 0.55 م 3.
     • يمكننا بعد ذلك إيجاد قوة الطفو على الحاجز بافتراض أن الجاذبية طبيعية وأن كثافة الماء طبيعية. 0.55 م 3 × 1000 كجم / م 3 × 9.81 نيوتن / كجم = 5،395.5 نيوتن.
     • علينا الآن إيجاد قوة الجاذبية المؤثرة على البرميل. G = (20 كجم) (9.81 م / ث 2) = 196.2 نيوتن هذا أقل بكثير من قوة الطفو، لذلك سوف يطفو البرميل.

6. 6 استخدم نفس الطريقة عندما يكون السائل غازًا. لا تنسى عند حل مشاكل الطفو أن السائل الذي تنغمس فيه لا يجب أن يكون سائلاً. الغازات هي أيضًا سوائل ولا يزال بإمكانها تحمل وزن أجسام معينة تطفو فيها، على الرغم من أنها ذات كثافة منخفضة جدًا مقارنة بأنواع أخرى من المادة. بالون الهيليوم البسيط هو دليل على ذلك. يطفو البالون لأن الغاز الذي يملأه أقل كثافة من السائل المحيط به (الهواء العادي).

قم بإجراء تجربة تعويم بسيطة

1. 1 ضع كوبًا صغيرًا أو وعاءً داخل وعاء أكبر. من السهل رؤية مبادئ الطفو في العمل باستخدام عدد قليل من الأدوات المنزلية. في هذه التجربة، سنبين أن الجسم المغمور يتعرض لقوة طفو لأنه يزيح حجمًا من السائل يساوي حجم الجزء المغمور. أثناء قيامنا بذلك، سوف نوضح كيفية العثور عمليًا على قوة الطفو لجسم باستخدام هذه التجربة. ضع حاوية صغيرة مفتوحة مثل وعاء أو كوب داخل وعاء أكبر مثل دلو أو وعاء كبير للبدء.

2. 2 املأ الحاوية الداخلية حتى أسنانها ثم املأ الحاوية الداخلية الصغيرة بالماء. كن حذرًا هنا، حيث يجب أن يصل مستوى الماء إلى أقصى حافة للحاوية دون انسكاب. في حالة انسكاب أي ماء، قم بتفريغ الحاوية الكبيرة قبل المحاولة مرة أخرى.

   • من الآمن افتراض أن الماء له كثافة طبيعية تبلغ 1000 كجم / م 3 لأغراض هذه التجربة. كثافة معظم أنواع المياه قريبة جدًا من هذه القيمة المرجعية – ما لم تكن تستخدم مياهًا مالحة أو سائلًا مختلفًا تمامًا – فلن يغير حتى الاختلاف البسيط نتائجنا.
   • قد يكون من المفيد استخدام قطارة إذا كان لديك الوقت لضبط مستوى الماء بدقة في الحاوية الداخلية.

3. 3 اغمر جسمًا صغيرًا. ثم ابحث عن جسم صغير يمكنك وضعه في الحاوية الداخلية ولن يتلفه الماء. أوجد كتلة هذا الجسم بالكيلوجرام (قد ترغب في استخدام مقياس يعطيك القيمة بالجرامات ثم تحويلها إلى كيلوجرام). ثم أنزل الجسم ببطء وثبات في الماء – دون أن تبلل أصابعك – حتى يبدأ في الطفو أو بالكاد تستطيع الإمساك به، ثم اتركه. يجب أن ترى بعض الماء في الحاوية الداخلية ينسكب على الحافة وفي الحاوية الخارجية.

   • على سبيل المثال، لنفترض أننا وضعنا سيارة لعبة كتلتها 0.05 كجم في الحاوية الداخلية لأغراض هذا المثال. لا نحتاج إلى معرفة حجم هذه السيارة لحساب الطفو، كما سنرى في الخطوة التالية.

4. 4 اجمع الماء المنسكب وقم بقياسه. يقوم الجسم بإزاحة بعض الماء عند غمره فيه لأنه إذا لم يفعل ذلك فلن يكون هناك مكان له لدخول الماء، وعندما يقوم بإزاحة الماء من خلال مساره يقوم الماء بدوره بدفعه مما يؤدي إلى إلى الطفو. خذ الماء المنسكب من الحاوية الداخلية واسكبه في كوب قياس صغير. يجب أن يكون حجم الماء في الكوب مساويًا لحجم الجسم المغمور.

   • بمعنى آخر إذا كان الجسم يطفو، فإن حجم الماء المنسكب سيساوي حجم الجزء المغمور من الجسم تحت سطح الماء. ولكن إذا غرق، فسيكون حجم الماء المنسكب مساويًا لحجم الجسم كله.

5. 5 احسب وزن الماء المنسكب. بمعرفة كثافته والقدرة على قياس حجمه، يمكنك إيجاد كتلة الماء المنسكب في كوب قياس. قم بتحويل الحجم إلى متر مكعب (يمكن لمحول عبر الإنترنت أن يساعد هنا) واضربه في كثافة الماء (1000 كجم / م 3).

   • في مثالنا، لنفترض أن السيارة غرقت في الحاوية الداخلية وأزاحت ملعقتين كبيرتين (0.00003 م 3). سنضرب هذا الرقم في الكثافة لإيجاد كتلة الماء 1000 كجم / م 3 * 0.00003 م 3 = 0.03 كجم.

6. 6 قارن كتلة الماء التي أزاحها الجسم. الآن بعد أن عرفت كتلة الجسم المغمورة في الماء وكتلة الماء المزاح، قارن بينهما لترى أيهما أكبر. من المفترض أن يغرق جسم مغمور في الحاوية الداخلية إذا كانت كتلته أكبر من كتلة الماء المزاح. على العكس من ذلك، إذا كانت كتلة الماء المزاح أكبر، يجب أن يطفو الجسم. من الناحية العملية، هذا هو مبدأ الطفو، حيث يجب أن يزيح الجسم كمية من الماء أكبر من كتلة الجسم نفسه حتى يطفو.

   • هذا هو السبب في أن الأجسام ذات الكتل الصغيرة والأحجام الكبيرة هي أكثر الأنواع طفوًا. هذه الخاصية تعني أن الكائنات المجوفة في طفو معين. فكر في الزورق، فهو يطفو جيدًا لأنه مجوف من الداخل لذا يمكنه إزاحة الكثير من الماء دون الكثير من الحجم. لن تطفو القوارب أيضًا إذا كانت مصنوعة من الخشب الصلب.
   • كتلة السيارة في مثالنا (0.05 كجم) أكبر من الماء المزاح (0.03 كجم). هذا يتوافق مع ما لاحظناه من غرق السيارة.

أفكار مفيدة

• استخدم ميزانًا يتم إعادة تعيينه إلى الصفر بعد كل قراءة للمساعدة في الحصول على قياسات دقيقة.

الأشياء التي سوف تحتاجها

• وعاء أو كوب صغير

• دلو أو وعاء كبير

• جسم صغير يجب غمسه (مثل كرة مطاطية)

• كوب القياس