Como calcular a força flutuante: 12 etapas (com foto) - Dicas

Vídeo: Estabilidade de Corpos Flutuantes (Teoria)

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A força flutuante é a força que atua sobre um objeto submerso em fluido na direção oposta à gravidade. Quando um objeto é colocado em um fluido, o peso do objeto empurra o fluido (líquido ou gás) para baixo, enquanto a flutuabilidade empurra o objeto para cima, na direção oposta da gravidade. Em geral, essa flutuabilidade pode ser calculada usando equações F_b = V_S × D × g, em que F_b é a flutuabilidade, V_S é o volume da parte submersa, D é a densidade do fluido que envolve o objeto e g é a gravidade. Para aprender como determinar a flutuabilidade de um objeto, comece com a Etapa 1 abaixo.

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Método 1 de 2: Use a equação de força flutuante

Encontre o volume a parte submersa do objeto. A flutuabilidade atuando no objeto está diretamente correlacionada com a porção de volume submerso do objeto. Em outras palavras, quanto maior o afundamento de um corpo sólido, mais forte é a flutuabilidade atuando sobre ele. Ou seja, mesmo que o objeto esteja completamente submerso no líquido, ainda há uma flutuabilidade agindo sobre ele. Para começar a calcular a força de empuxo que atua sobre um objeto, a primeira etapa geralmente é determinar o volume de volume que é embebido no fluido. Na equação da força flutuante, este valor deve ser escrito em m.
- Para um objeto completamente submerso no fluido, o volume que está submerso será igual ao volume do próprio objeto. Para objetos flutuantes na superfície do fluido, consideramos apenas a fração de volume abaixo da superfície do fluido.
- Por exemplo, digamos que queremos encontrar a flutuabilidade agindo em uma bola de borracha flutuando na água. Se a bola for uma esfera perfeita de 1 m de diâmetro e flutuar exatamente com a metade submersa, podemos encontrar o volume da parte submersa calculando o volume de toda a bola e dividindo-o pela metade. Como o volume da esfera é (4/3) π (raio), temos que o volume da bola é (4/3) π (0,5) = 0,524 m. 0,524 / 2 = 0,262 m foi afundado.
Encontre a densidade do fluido. A próxima etapa para encontrar a força flutuante é determinar a densidade (em kg / m) do líquido circundante. A densidade é uma quantidade medida pela razão da massa de uma matéria ou matéria com seu volume correspondente. Para dois objetos de igual volume, o objeto com uma densidade maior será mais pesado. A regra geral é que quanto maior a densidade de um fluido, maior será a flutuabilidade exercida sobre o corpo que afunda nele. Com fluidos, geralmente a maneira mais fácil de determinar a densidade é por meio de referências.
- No exemplo acima, a bola flutua na água. A referência à literatura de estudo nos diz qual é a densidade da água 1.000 kg / m.
- A densidade de muitos fluidos comuns é fornecida na literatura técnica. Você pode encontrar essa lista aqui.
Encontre a gravidade (ou outra força na direção para baixo). Quer um objeto afunde ou flutue em um fluido, ele está sempre sob a força da gravidade. Na verdade, esta constante de força descendente é sobre 9,81 Newtons / quilograma. No entanto, nos casos em que há outra força agindo sobre o fluido e o corpo afundando nele, como a força radial, devemos também considerar essa força ao calcular a força "para baixo" total para todo o sistema.
- No exemplo acima, se tivermos um sistema estático normal, pode-se assumir que a única força descendente atuando no fluido e no corpo é a gravidade padrão - 9,81 Newtons / quilograma.
Multiplique o volume por densidade e gravidade. Quando você tem os valores para o volume do objeto (em m), a densidade do fluido (em kg / m) e a gravidade (ou a força para baixo do sistema Newton / Quilograma), encontrar a flutuabilidade se torna fácil. . Basta triplicar para encontrar a força flutuante em Newtons.
- Resolva o problema do exemplo inserindo os valores na equação F_b = V_S × D × g. F_b = 0,262 m × 1.000 kg / m × 9,81 N / kg = 2.570 newtons. As outras unidades se aniquilariam, deixando apenas a unidade Newton.
Determine se o objeto está flutuando ou não comparando com a gravidade. Usando a equação de flutuabilidade, você encontrará facilmente a força que empurra o objeto para fora do líquido. No entanto, você também pode determinar se o material flutua ou afunda no fluido se der uma etapa extra. Encontre a força flutuante atuando em todo o corpo (ou seja, use todo o volume do corpo V_S), então encontre a gravidade que atrai o objeto pela equação G = (massa do objeto) (9,81 m / s). Se a força flutuante for maior que a gravidade, o objeto flutuará. Por outro lado, se a gravidade for maior, o objeto afundará. Se essas duas forças são iguais, então dizemos a coisa suspenso.
- Um objeto suspenso não flutuará acima da água ou afundará enquanto estiver na água. Ele ficará suspenso no líquido entre a superfície e o fundo.
- Por exemplo, digamos que queremos saber se uma caixa de madeira cilíndrica de 20 kg com um diâmetro de 0,75 metros e uma altura de 1,25 metros pode flutuar na água. Devemos realizar várias etapas para este problema:
  - A primeira é encontrar o volume usando a fórmula para o volume do cilindro V = π (raio) (altura). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 m.
  - Em seguida, assumindo que sabemos a gravidade padrão e a densidade da água, resolvemos para a força flutuante que atua no barril. 0,55 m × 1000 kg / m × 9,81 N / kg = 5.395,5 Newton.
  - Agora temos que encontrar a gravidade atuando na caixa de madeira. G = (20 kg) (9,81 m / s) = 196,2 Newton. Este resultado é muito menor que a força de empuxo, então o barril irá flutuar.
Use o mesmo cálculo quando o fluido for um gás. Ao resolver problemas de flutuabilidade, não se esqueça de que o fluido não precisa ser um líquido. Os gases também são conhecidos como fluidos, embora tenham uma densidade muito pequena em comparação com outros tipos de matéria, e o gás ainda pode repelir alguns dos objetos flutuantes nele. A bolha de hélio é a prova disso. Como o hélio em uma bolha é mais leve que o fluido ao seu redor (ar), a bolha voará para longe! propaganda

Método 2 de 2: realizar experimento simples com força flutuante

Coloque uma tigela pequena em uma maior. Com apenas alguns objetos em casa, você verá facilmente os efeitos da flutuabilidade na prática. Neste experimento, mostramos que quando um objeto está submerso, ele sofre o efeito da flutuabilidade, pois toma o lugar da quantidade de fluido que é igual ao volume do objeto submerso. No processo de fazer experimentos, também mostramos como encontrar a força flutuante do objeto na prática. Primeiro, você coloca um recipiente pequeno e sem tampa, como uma tigela ou xícara, em um recipiente maior, como uma tigela grande ou balde de água.
Encha um pequeno recipiente de ponta a ponta com água. Você deve derramar a água perto da borda, sem derramar. Tenha cuidado nesta etapa! Se você deixar a água transbordar, você deve esvaziar o recipiente grande completamente e começar de novo.
- Para este experimento, assumimos que a densidade da água é de 1000 kg / m. A menos que você use salmoura ou um líquido completamente diferente, a maioria das águas tem uma densidade próxima a este valor de referência, então os resultados não serão afetados.
- Se você tiver um conta-gotas, pode usá-lo para pingar água no recipiente interno de forma que o nível da água chegue até a borda.
Mergulhe um pequeno objeto. Em seguida, procure um objeto que possa caber confortavelmente em um pequeno recipiente sem danos causados pela água. Encontre o peso em quilogramas deste objeto (você deve usar a balança para a leitura em gramas e depois convertê-la em quilogramas). Em seguida, pressione lentamente o objeto na água sem molhar o dedo até que ele comece a flutuar ou você mal consiga segurá-lo e, em seguida, solte o objeto. Você deve ver um pouco de água derramar da borda do recipiente interno para o recipiente externo.
- Para este exemplo, digamos que estamos pressionando um carrinho de brinquedo de 0,05 kg em seu contêiner interno. Não precisamos saber o volume do carro para calcular a flutuabilidade, como saberemos na próxima etapa.
Recolher e medir o excesso de água. Quando você pressiona um objeto na água, ele toma o lugar de um pouco de água - caso contrário, não há espaço para você mergulhá-lo na água. Quando empurra a água para fora do caminho, a água repele e cria flutuabilidade. Recolha a água derramada do recipiente interno e despeje no copo medidor pequeno. O volume de água no copo deve ser igual ao volume do objeto submerso.
- Em outras palavras, se o objeto flutua, o volume de água que transborda será igual ao volume do objeto submerso na superfície da água. Se o objeto estivesse submerso, o volume de água transbordado seria igual ao volume de todo o objeto.
Calcule a quantidade de água derramada. Como você conhece a densidade da água e pode medir o volume de água transbordando em um copo medidor, você calculará o volume de água. Converta o volume para m (um conversor de unidades online como este pode ajudar aqui) e multiplique-o pela densidade da água (1.000 kg / m).
- No exemplo acima, suponha que o carrinho de brinquedo esteja submerso em seu contêiner interno e ocupe cerca de 2 colheres de sopa (0,00003 m) de água. Para encontrar a massa de água, multiplique isso pela densidade: 1.000 kg / m × 0,00003 m = 0,03 kg.
Compare o volume de água deslocada e a massa do objeto. Agora que você conhece as massas da água submersa e da água deslocada, compare esses dois valores. Se a massa do objeto for maior que o volume da água deslocada, o objeto afundará. Por outro lado, se o volume da água deslocada for maior, o objeto flutuará. Este é o princípio da flutuabilidade na prática - para um corpo flutuante, ele deve deslocar uma massa de água maior do que a massa do próprio corpo.
- Daí as massas leves, mas os grandes volumes são os melhores objetos flutuantes. Esta propriedade indica que objetos vazios podem flutuar muito bem. Vamos dar uma olhada na canoa - ela flutua bem porque é oca por dentro, então pode pegar muita água, mas a massa não é muito pesada. Se a canoa fosse grossa por dentro, ela não seria capaz de flutuar bem.
- No exemplo acima, um veículo com uma massa de 0,05 kg é maior do que um volume de água deslocado em 0,03 kg. Isso está de acordo com o que observamos: o carro afundou.
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