הכוח הצף הוא כוח מנוגד לכוח הכבידה, המשפיע על כל האובייקטים הטבולים בנוזל. כאשר אובייקט ממוקם בתוך נוזל, מסת האובייקט לוחצת על הנוזל (נוזל או גז), בעוד הכוח הצף דוחף את האובייקט כנגד כוח הכבידה. במונחים כלליים, ניתן לחשב את כוח הצפה הזה על ידי המשוואה וא = Vt × × גרם, עם F.א הוא הכוח הצף, וt הוא נפח האובייקט השקוע, הוא צפיפות הנוזל, ו- g הוא כוח הכבידה. כדי ללמוד כיצד לקבוע את הציפה של אובייקט, ראה שלב 1 להלן כדי להתחיל.
שלב
שיטה 1 מתוך 2: שימוש במשוואת הציפה
שלב 1. מצא את עוצמת הקול של החלק השקוע של האובייקט
הכוח הצף הפועל על אובייקט פרופורציונאלי לנפח האובייקט השקוע. במילים אחרות, ככל שחלקו המוצק השקוע של האובייקט גדול יותר, כך כוח הצפה הפועל על האובייקט גדול יותר. המשמעות היא שלחפצים השקועים בנוזל, יש כוח צף שדוחף את האובייקט כלפי מעלה. כדי להתחיל לחשב את הכוח הצף הפועל על אובייקט, הצעד הראשון שלך הוא בדרך כלל לקבוע את נפח האובייקט השקוע בנוזל. עבור משוואת הציפה, ערך זה צריך להיות במטר3.
- עבור אובייקט שקוע לחלוטין בנוזל, נפח השקוע שווה לנפח העצם עצמו. עבור אובייקטים שצפים מעל פני הנוזל, רק הנפח מתחת לפני השטח מחושב.
- לדוגמה, נניח שאנו רוצים למצוא את הכוח הצף הפועל על כדור גומי שצף על מים. אם כדור הגומי הוא כדור מושלם בקוטר 1 מ 'וצף כשמחציתו שקועה מתחת למים, נוכל למצוא את נפח החלק השקוע על ידי מציאת הנפח הכולל של הכדור וחלוקה לשניים. מכיוון שנפח הכדור הוא (4/3) (רדיוס)3, אנו יודעים כי נפח הכדור שלנו הוא (4/3) π (0, 5)3 = 0.524 מטר3. 0, 524/2 = 0.262 מטר3 כִּיוֹר.
שלב 2. מצא את צפיפות הנוזל שלך
השלב הבא בתהליך מציאת הציפה הוא הגדרת הצפיפות (בקילוגרם/מטר3) של הנוזל בו הטבול האובייקט. צפיפות היא מדידה של המסה של אובייקט או חומר ביחס לנפחו. אם ניתנים שני אובייקטים עם אותו נפח, לאובייקט בעל הצפיפות הגדולה תהיה יותר מסה. על פי הכלל, ככל שצפיפות הנוזל בה האובייקט שקוע גדולה יותר, כך כוח הצפה גדול יותר. עם נוזלים, בדרך כלל הדרך הקלה ביותר לקבוע צפיפות היא פשוט לחפש אותו בחומר עזר.
- בדוגמה שלנו, הכדור שלנו צף במים. על ידי בחינת מקורות אקדמיים, אנו יכולים לגלות שלמים יש צפיפות של כ. 1,000 ק"ג/מטר3.
- צפיפות נוזלים נפוצה אחרת מופיעות במקורות הנדסיים. אחת מהרשימות ניתן למצוא כאן.
שלב 3. מצא את כוח הכבידה (או כוח כלפי מטה אחר)
בין אם אובייקט שוקע או צף בנוזל, תמיד יש לו כוח כבידה. בעולם האמיתי, קבוע הכוח כלפי מטה שווה ל- 9.81 ניוטון לק ג. עם זאת, במצבים בהם כוחות אחרים, כגון הכוח הצנטריפוגלי, פועלים על הנוזל והחפץ השקוע בו, יש לקחת בחשבון גם כוח זה כדי לקבוע את הכוח כלפי מטה נטו לכל המערכת.
- בדוגמה שלנו, אנו עובדים עם מערכת סטטית רגילה, כך שאנו יכולים להניח שהכוח היחיד כלפי מטה הפועל על נוזלים וחפצים הוא כוח הכבידה הכללי - 9.81 ניוטון לק"ג.
- אולם מה אם הכדור שלנו, שצף בדלי מים, יניף במעגל בכיוון אופקי במהירות גבוהה? במקרה זה, בהנחה שהדלי מנופף די מהר כדי שהמים והכדור לא ישפכו, הכוח כלפי מטה במצב זה יופק מהכוח הצנטריפוגלי שנוצר על ידי נדנדת הדלי, ולא מכוח המשיכה של כדור הארץ.
שלב 4. הכפל נפח × צפיפות × כוח משיכה
אם יש לך את ערך הנפח של האובייקט שלך (במטרים3), צפיפות הנוזל שלך (בק ג/מטר3), וכוח הכבידה (הכוח כלפי מטה על המערכת שלך), ולכן מציאת הציפה קלה מאוד. פשוט הכפל את שלושת הערכים האלה כדי למצוא את הכוח הצף בניוטונים.
בואו נפתור את הבעיה לדוגמה שלנו על ידי חיבור הערכים שלנו למשוואה Fא = Vt × × גרם. וא = 0.262 מטר3 × 1,000 ק"ג/מטר3 × 9.81 ניוטון/ק"ג = 2,570 ניוטון.
שלב 5. בדוק אם האובייקט שלך צף על ידי השוואת הציפה לכוח הכבידה
בעזרת משוואת הציפה קל למצוא את הכוח שדוחף אובייקט למעלה ולצאת מהנוזל. עם זאת, עם מעט מאמץ נוסף, ניתן גם לקבוע אם אובייקט יצוף או ישקע. פשוט מצא את הכוח הצף לאובייקט כולו (במילים אחרות, השתמש בכל עוצמת הקול לערך Vt), ואז מצא את כוח הכבידה הדוחף אותו כלפי מטה עם המשוואה G = (מסת האובייקט) (9.81 מטר/שנייה2). אם כוח הציפה גדול מכוח הכבידה, האובייקט יצוף. מצד שני, אם כוח הכבידה גדול מכוח הציפה, האובייקט ישקע. אם גודלן זהה, אומרים שהאובייקט צף.
-
לדוגמה, נגיד שאנחנו רוצים לדעת אם חבית גלילית מעץ עם מסה של 20 קילוגרם וקוטר של 0.75 מ 'וגובה של 1.25 מ' תצוף במים. בעיה זו תשתמש במספר שלבים:
- אנו יכולים למצוא את הנפח עם הנוסחה לנפח הגליל V = (רדיוס)2(גובה). V = (0, 375)2(1, 25) = 0.55 מטר3.
- לאחר מכן, בהנחה שעוצמת הכבידה היא רגילה ושל מים בצפיפות רגילה, נוכל למצוא את הכוח הצף של הקנה. 0.55 מטר3 × 1000 ק"ג/מטר3 × 9.81 ניוטון/ק"ג = 5,395, 5 ניוטון.
- כעת עלינו למצוא את כוח הכבידה של הקנה. G = (20 ק"ג) (9.81 מטר/שנייה2) = 196.2 ניוטון. כוח זה פחות מכוח הצפה, כך שהקנה יצוף.
שלב 6. השתמש באותה גישה אם הנוזל שלך הוא גז
כאשר עובדים על בעיות ציפה, אל תשכחו שהנוזל שבו החפץ שקוע לא חייב להיות נוזל. גזים הם גם נוזלים, ולמרות שלגזים יש צפיפות נמוכה מאוד בהשוואה לחומרים אחרים, הם עדיין יכולים לתמוך בהמוני אובייקטים מסוימים שצפים בגז. בלון הליום פשוט הוא הוכחה לכך. מכיוון שהגז בבלון פחות צפוף מהנוזל שמסביב (אוויר הסביבה), הבלון צף!
שיטה 2 מתוך 2: ביצוע ניסוי ציפה פשוט
שלב 1. מניחים קערה קטנה או כוס בתוך קערה גדולה יותר
עם כמה כלי בית, קל לראות את עקרונות הציפה בניסוי! בניסוי פשוט זה, נדגים כי עצם שקוע חווה כוח צף מכיוון שהוא מעביר נפח נוזל השווה לנפח האובייקט השקוע. כשאנחנו עושים זאת, נדגים גם דרך מעשית למצוא את הכוח הצף של אובייקט בעזרת ניסוי זה. כדי להתחיל, הנח מיכל קטן ופתוח, כגון קערה או כוס, בתוך מיכל גדול יותר, כגון קערה גדולה או דלי.
שלב 2. ממלאים את המיכל הקטן עד אפס מקום
לאחר מכן, מלא את המיכל הפנימי הקטן יותר במים. אתה רוצה שהמים יהיו גבוהים כמו המיכל מבלי להישפך. היזהר כאן! אם אתה שופך מים, רוקן את המיכל הגדול יותר לפני שתנסה שוב.
- לצורך ניסוי זה, זה בסדר להניח שלמים יש צפיפות כללית של 1000 קילוגרם/מטר3. אלא אם כן אתה משתמש במי ים או בנוזל אחר לגמרי, לרוב סוגי המים יש אותה צפיפות בערך כמו ערך ההתייחסות הזה כך שהבדל קטן לא ישנה את התוצאות שלנו.
- אם יש לך טיפות עיניים, זה יכול להיות שימושי מאוד להעלאת מפלס המים במיכל קטן.
שלב 3. טובלים את האובייקט הקטן
לאחר מכן, חפש אובייקט קטן שיתאים למיכל קטן ולא ייפגע ממים. מצא את המסה של אובייקט זה בק"ג (מומלץ להשתמש בסולם או במאזן שיכולים לקחת גרם ולהמיר אותם לק"ג). לאחר מכן, מבלי להירטב את אצבעותיך, לאט אך בטוח, טובלים את החפץ במים עד שהוא מתחיל לצוף או שתוכל להחזיק אותו מעט ואז לשחרר אותו. תוכלו להבחין כי חלק מהמים במיכל הקטן יישפכו לתוך המיכל החיצוני.
לצורך הדוגמה שלנו, נניח שאנו טובלים מכונית צעצוע במסה של 0.05 ק"ג לתוך מיכל קטן. איננו צריכים לדעת את נפח המכונית הזו כדי לחשב את הציפה שלה מכיוון שנראה זאת בשלב הבא
שלב 4. אוספים וספרו את המים שנשפכו
כאשר אתה שוקע אובייקט במים, הוא עוקף חלק מהמים - אחרת לא יהיה מקום להכניס את החפץ למים. כאשר אובייקט דוחף את המים החוצה, המים דוחפים לאחור, ויוצרים כוח צף. קח את המים שנשפכו מכלי קטן ושפוך אותם לכוס מדידה קטנה. נפח המים בכוס המדידה שווה לנפח האובייקט השקוע.
במילים אחרות, אם האובייקט שלך צף, נפח המים שנשפך יהיה שווה לנפח האובייקט השקוע מתחת לפני המים. אם החפץ שלך שוקע, נפח המים שנשפך שווה לנפח הכולל של האובייקט
שלב 5. חשב את מסת המים שנשפכו
מכיוון שאתה יודע את צפיפות המים ואתה יכול למדוד את נפח המים שנשפך בכוס המדידה, אתה יכול למצוא את המסה שלה. פשוט שנה את עוצמת הקול למטר3 (עזרי המרה מקוונים, כמו זה, יכולים לעזור) ולהתרבות בצפיפות המים (1,000 ק ג/מטר3).
בדוגמה שלנו, נניח שמכונית הצעצועים שלנו שוקעת במיכל קטן ונע כשתי כפות (0.0003 מטר3). כדי למצוא את מסת המים שלנו, נכפיל אותם בצפיפותו: 1,000 קילוגרם/מטר3 × 0.0003 מטר3 = 0.03 ק"ג.
שלב 6. השווה את מסת המים שנשפכו למסת החפץ
עכשיו שאתה יודע את מסת החפץ שאתה שוקע במים ואת מסת המים שנשפכו, השווה אותם כדי לראות איזו מסה גדולה יותר. אם מסת החפץ השקוע בכלי קטן גדולה יותר מהמים שנשפכו, החפץ ישקע. מצד שני, אם מסת המים שנשפכו גדולה יותר, האובייקט יצוף. זהו עקרון הציפה בניסוי - על מנת שאובייקט יצוף, עליו לעקור כמות מים במסה גדולה ממסת העצם עצמו.
- לפיכך, אובייקטים בעלי מסה נמוכה אך נפח גדול הם סוגי האובייקטים שצפים הכי בקלות. תכונה זו פירושה שחפצים חלולים צפים בקלות רבה. תארו לעצמכם קאנו - הקאנו צף היטב מכיוון שהוא חלול בפנים, כך שהוא יכול להזיז הרבה מים מבלי שיהיה צורך במסה גדולה. אם הקאנו אינו חלול (מוצק), אז הקאנו לא יצוף כמו שצריך.
- בדוגמה שלנו, המכונית בעלת מסה גדולה יותר (0.05 ק"ג) מאשר המים שנשפכו (0.03 ק"ג). זה תואם את מה שאנו רואים: המכוניות שוקעות.
