Cómo calcular la fuerza flotante: 12 pasos (con foto) - Consejos

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La fuerza flotante es la fuerza que actúa sobre un objeto sumergido en un fluido en dirección opuesta a la gravedad. Cuando un objeto se coloca en un líquido, el peso del objeto empuja hacia abajo el líquido (líquido o gas) mientras que la flotabilidad empuja el objeto hacia arriba, en la dirección opuesta a la gravedad. En general, esta flotabilidad se puede calcular mediante ecuaciones F_segundo = V_S × D × g, en el que F_segundo es la flotabilidad, V_S es el volumen de la parte sumergida, D es la densidad del fluido que rodea al objeto y g es la gravedad. Para aprender a determinar la flotabilidad de un objeto, comience con el Paso 1 a continuación.

Pasos

Método 1 de 2: usa la ecuación de fuerza flotante

Encuentra el volumen la parte sumergida del objeto. La flotabilidad que actúa sobre el objeto está directamente relacionada con la porción de volumen sumergido del objeto. En otras palabras, cuanto más grande es el sumidero de un cuerpo sólido, más fuerte actúa sobre él la flotabilidad. Es decir, incluso si el objeto está completamente sumergido en el líquido, todavía hay una flotabilidad actuando sobre él. Para comenzar a calcular la fuerza de flotabilidad que actúa sobre un objeto, el primer paso suele ser determinar el volumen de volumen que está empapado en el fluido. En la ecuación de la fuerza flotante, este valor debe escribirse en m.
- Para un objeto completamente sumergido en el fluido, el volumen sumergido será igual al volumen del objeto en sí. Para el sobrenadante del fluido, solo consideramos la fracción de volumen debajo de la superficie del fluido.
- Por ejemplo, digamos que queremos encontrar la flotabilidad que actúa sobre una pelota de goma flotando en el agua. Si la bola es una esfera perfecta de 1 m de diámetro y flota con exactamente la mitad sumergida, podemos encontrar el volumen de la parte sumergida calculando el volumen de toda la bola y dividiéndola por la mitad. Dado que el volumen de la esfera es (4/3) π (radio), tenemos que el volumen de la bola es (4/3) π (0.5) = 0.524 m. 0,524 / 2 = 0.262 m fue hundido.
Encuentra la densidad del fluido. El siguiente paso para encontrar la fuerza flotante es determinar la densidad (en kg / m) del líquido circundante. La densidad es una cantidad medida por la relación entre la masa de una materia o materia y su volumen correspondiente. Para dos objetos de igual volumen, el objeto con mayor densidad será más pesado. La regla general es que cuanto mayor sea la densidad de un fluido, mayor será la flotabilidad que ejercerá el cuerpo que se hunde en él. Con los fluidos, generalmente la forma más fácil de determinar la densidad es mediante referencias.
- En el ejemplo anterior, la pelota flota en el agua. La literatura de estudios de referencia nos dice que el agua tiene una densidad específica 1.000 kg / m.
- La densidad de muchos fluidos comunes se da en la literatura técnica. Puedes encontrar esta lista aquí.
Encuentre la gravedad (u otra fuerza en la dirección hacia abajo). Ya sea que un objeto se hunda o flote en un fluido, siempre está bajo la fuerza de la gravedad. De hecho, esta constante de fuerza descendente es aproximadamente 9,81 Newtons / kilogramo. Sin embargo, en los casos en los que hay otra fuerza que actúa sobre el fluido y el cuerpo se hunde en él, como la fuerza radial, también debemos considerar esta fuerza al calcular la fuerza "descendente" total para todo el sistema.
- En el ejemplo anterior, si tenemos un sistema estático normal, se puede suponer que la única fuerza descendente que actúa sobre el fluido y el cuerpo es la gravedad estándar: 9,81 Newtons / kilogramo.
Multiplica el volumen por densidad y gravedad. Cuando tiene los valores para el volumen del objeto (en m), la densidad del fluido (en kg / m) y la gravedad (o la fuerza descendente del sistema Newton / Kilogramo), encontrar la fuerza flotante se vuelve fácil. . Simplemente triplíquelos para encontrar la fuerza flotante en Newtons.
- Resuelva el problema de ejemplo insertando los valores en la ecuación F_segundo = V_S × D × g. F_segundo = 0,262 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 2.570 Newtons. Las otras unidades se aniquilarían entre sí, dejando solo la unidad de Newton.
Determina si el objeto está flotando o no comparándolo con la gravedad. Usando la ecuación de flotabilidad, encontrará fácilmente la fuerza que empuja al objeto fuera del líquido. Sin embargo, también puede determinar si el material flota o se hunde en el líquido si da un paso más. Encuentre la fuerza flotante que actúa sobre todo el cuerpo (es decir, use todo el volumen del cuerpo V_S), luego encuentre la gravedad que atrae al objeto mediante la ecuación G = (masa del objeto) (9.81 m / s). Si la fuerza de flotación es mayor que la gravedad, el objeto flotará. Por otro lado, si la gravedad es mayor, el objeto se hundirá. Si estas dos fuerzas son iguales entonces decimos la cosa suspendido.
- Un objeto suspendido no flotará sobre el agua ni se hundirá hasta el fondo mientras esté en el agua. Estará suspendido en el líquido entre la superficie y el fondo.
- Por ejemplo, digamos que queremos saber si una caja de madera cilíndrica de 20 kg con un diámetro de 0,75 my una altura de 1,25 m puede flotar en el agua. Debemos realizar varios pasos para este problema:
  - El primero es encontrar el volumen usando la fórmula para el volumen del cilindro V = π (radio) (altura). V = π (0.375) (1.25) = 0,55 metros.
  - A continuación, asumiendo que conocemos la gravedad estándar y la densidad del agua, resolvemos la fuerza flotante que actúa sobre el barril. 0,55 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 5.395,5 Newton.
  - Ahora tenemos que encontrar la gravedad que actúa sobre la caja de madera. G = (20 kg) (9,81 m / s) = 196,2 Newton. Este resultado es mucho menor que la fuerza de flotabilidad, por lo que el cañón flotará.
Utilice el mismo cálculo cuando el fluido sea un gas. Al resolver problemas de flotabilidad, no olvide que el fluido no tiene por qué ser un líquido. El gas también se considera un fluido, aunque tiene una densidad muy pequeña en comparación con otros tipos de materia, y aún puede repeler algunos de los objetos flotantes que contiene. La burbuja de helio es la prueba de ello. Dado que el helio en una burbuja es más liviano que el fluido a su alrededor (aire), ¡la burbuja volará! anuncio

Método 2 de 2: realice un experimento simple sobre la fuerza flotante

Coloque un tazón pequeño en uno más grande. Con solo unos pocos objetos en la casa, verá fácilmente los efectos de la flotabilidad en la práctica. En este experimento, mostramos que cuando un objeto se sumerge, sufrirá el efecto de la flotabilidad, pues ocupa el lugar de la cantidad de fluido igual al volumen del objeto sumergido. En el proceso de hacer experimentos, también mostramos cómo encontrar la fuerza flotante del objeto en la práctica. Primero, coloque un recipiente pequeño sin tapa, como un tazón o una taza, en un recipiente más grande, como un recipiente grande o un balde de agua.
Llene un recipiente pequeño de borde a borde con agua. Debes verter el agua cerca del borde sin derramarla. ¡Tenga cuidado en este paso! Si deja que el agua se desborde, debe vaciar completamente el recipiente grande y empezar de nuevo.
- Para este experimento, asumimos que el agua tiene una densidad de 1000 kg / m. A menos que use salmuera o un líquido completamente diferente, la mayoría de las aguas tienen una densidad cercana a este valor de referencia, por lo que los resultados no se verán afectados.
- Si tiene un gotero, puede usarlo para que gotee agua en el recipiente interior de modo que el nivel del agua llegue al borde.
Sumerja un objeto pequeño. A continuación, busque un objeto que pueda caber cómodamente en un recipiente pequeño sin dañarlo por el agua. Encuentre el peso en kilogramos de este objeto (debe usar la balanza para la lectura en gramos y luego convertirlo a kilogramos). Luego presione lentamente el objeto en el agua sin mojarse el dedo hasta que comience a flotar o apenas pueda sostenerlo, y luego suelte el objeto. Debería ver un poco de agua derramarse sobre el borde del recipiente interior hacia el exterior.
- Para este ejemplo, digamos que estamos presionando un carro de juguete de 0.05 kg en su contenedor interno. No necesitamos saber el volumen del automóvil para calcular la flotabilidad, como lo sabremos en el siguiente paso.
Recoger y medir el desbordamiento de agua. Cuando presiona un objeto en el agua, reemplaza un poco de agua; de lo contrario, no hay espacio para que lo sumerja en el agua. Cuando empuja el agua fuera del camino, el agua se repele y crea flotabilidad. Recoja el agua derramada del recipiente interior y viértala en la taza medidora pequeña. El volumen de agua en la taza debe ser igual al volumen del objeto sumergido.
- En otras palabras, si el objeto flota, el volumen de agua que se desborda será igual al volumen del objeto sumergido bajo la superficie del agua. Si el objeto se hunde, el volumen de desbordamiento de agua será igual al volumen de todo el objeto.
Calcula la cantidad de agua derramada. Como conoce la densidad del agua y puede medir el volumen de agua que se desborda en una taza medidora, calculará el volumen de agua. Convierta el volumen en m (un convertidor de unidades en línea como este puede ayudar aquí) y multiplíquelo por la densidad del agua (1,000 kg / m).
- En el ejemplo anterior, suponga que el coche de juguete está sumergido en su recipiente interior y ocupa aproximadamente 2 cucharadas (0,00003 m) de agua. Para encontrar la masa de agua, multiplique esto por la densidad: 1,000 kg / m × 0.00003 m = 0,03 kilogramos.
Compara el volumen de agua desplazada y la masa del objeto. Ahora que conoce las masas tanto del agua sumergida como del agua desplazada, compare estos dos valores. Si la masa del objeto es mayor que el volumen del agua desplazada, el objeto se hundirá. Por otro lado, si el volumen del volumen de agua desplazado es mayor, el objeto flotará. Este es el principio de flotabilidad en la práctica: para un cuerpo flotante, debe desplazar una masa de agua mayor que la masa del propio cuerpo.
- Por tanto, los objetos ligeros pero de gran volumen son los mejores objetos flotantes. Esta propiedad indica que los objetos huecos pueden flotar muy bien. Echemos un vistazo a la canoa: flota bien porque está hueca por dentro, por lo que puede absorber mucha agua pero la masa no es demasiado pesada. Si la canoa fuera gruesa por dentro, no podría flotar bien.
- En el ejemplo anterior, un vehículo con una masa de 0.05 kg es mayor que un volumen de agua desplazado por 0.03 kg. Esto está en línea con lo que observamos: el coche se ha hundido.
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