Lực nổi là lực ngược với trọng lực, tác dụng lên tất cả các vật thể chìm trong chất lỏng. Khi một vật được đặt trong chất lỏng, khối lượng của vật đó ép lên chất lỏng (chất lỏng hoặc chất khí), trong khi lực nổi đẩy vật đó ngược lại với trọng lực. Nói chung, lực nổi này có thể được tính bằng phương trình NSMột = VNS × × g, với FMột là lực nổi, VNS là thể tích của vật chìm trong nước, là khối lượng riêng của chất lỏng, và g là lực hấp dẫn. Để tìm hiểu cách xác định lực nổi của một vật thể, hãy xem Bước 1 bên dưới để bắt đầu.
Bươc chân
Phương pháp 1/2: Sử dụng phương trình độ nổi
Bước 1. Tìm thể tích phần chìm của vật
Lực nổi tác dụng lên vật tỉ lệ với thể tích của vật chìm trong nước. Nói cách khác, phần vật rắn chìm trong nước càng lớn thì lực nổi tác dụng lên vật càng lớn. Điều này có nghĩa là các vật thể chìm trong chất lỏng thì lực nổi sẽ đẩy vật đó lên. Để bắt đầu tính lực nổi tác dụng lên một vật thể, bước đầu tiên của bạn thường là xác định thể tích của vật thể ngập trong chất lỏng. Đối với phương trình của lực nổi, giá trị này phải tính bằng mét3.
- Đối với một vật ngập hoàn toàn trong chất lưu thì thể tích ngập hoàn toàn bằng thể tích của chính vật đó. Đối với các vật thể nổi trên bề mặt chất lưu, chỉ tính thể tích bên dưới bề mặt.
- Ví dụ, giả sử chúng ta muốn tìm lực nổi tác dụng lên một quả bóng cao su nổi trên mặt nước. Nếu quả cầu cao su là một khối cầu hoàn hảo có đường kính 1 m và nổi với một nửa phần chìm dưới nước, ta có thể tìm thể tích của phần chìm bằng cách tìm tổng thể tích của quả cầu và chia cho hai. Vì thể tích của khối cầu là (4/3) (bán kính)3, chúng ta biết rằng thể tích của quả cầu của chúng ta là (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 mét3. 0, 524/2 = 0,262 mét3 bồn rửa.
Bước 2. Tìm mật độ của chất lỏng của bạn
Bước tiếp theo trong quá trình tìm độ nổi là xác định mật độ (tính bằng kilôgam / mét3) của chất lỏng mà vật thể được ngâm trong đó. Mật độ là một phép đo khối lượng của một vật hoặc chất so với thể tích của nó. Nếu cho hai vật có cùng khối lượng thì vật có khối lượng riêng lớn hơn sẽ có khối lượng lớn hơn. Theo quy luật, khối lượng riêng của chất lỏng mà vật chìm trong nước càng lớn thì lực nổi càng lớn. Với chất lỏng, thông thường cách dễ nhất để xác định tỷ trọng đơn giản là tra cứu nó trong một tài liệu tham khảo.
- Trong ví dụ của chúng ta, quả bóng của chúng ta nổi trong nước. Bằng cách xem xét các nguồn học thuật, chúng ta có thể thấy rằng nước có tỷ trọng xấp xỉ. 1.000 kg / mét3.
- Mật độ chất lỏng được sử dụng rộng rãi khác được liệt kê trong các nguồn kỹ thuật. Một trong những danh sách có thể được tìm thấy ở đây.
Bước 3. Tìm công của trọng lực (hoặc một số lực hướng xuống khác)
Cho dù một vật chìm hay nổi trong chất lỏng thì vật đó luôn có lực hấp dẫn. Trong thế giới thực, hằng số lực hướng xuống bằng 9,81 newtons / kilogam. Tuy nhiên, trong trường hợp các lực khác, chẳng hạn như lực ly tâm, tác dụng lên chất lỏng và vật chìm trong nó, thì lực này cũng phải được tính đến để xác định lực hướng xuống thuần cho toàn hệ thống.
- Trong ví dụ của chúng tôi, chúng tôi đang làm việc với một hệ thống tĩnh, thông thường, vì vậy chúng tôi có thể giả định rằng lực hướng xuống duy nhất tác động lên chất lỏng và vật thể là lực hấp dẫn chung - 9,81 newtons / kilogam.
- Tuy nhiên, điều gì sẽ xảy ra nếu quả bóng của chúng ta, đang trôi trong một xô nước, được xoay thành một vòng tròn theo phương ngang với tốc độ cao? Trong trường hợp này, giả sử xô được xoay đủ nhanh để nước và quả bóng không bị đổ, lực hướng xuống trong tình huống này sẽ bắt nguồn từ lực ly tâm được tạo ra bởi sự xoay của xô, không phải từ trọng lực của Trái đất.
Bước 4. Nhân khối lượng × mật độ × trọng lực
Nếu bạn có giá trị thể tích của đối tượng của mình (tính bằng mét3), tỷ trọng của chất lỏng của bạn (tính bằng kilôgam / mét3), và lực hấp dẫn (lực tác động xuống hệ thống của bạn), vì vậy việc tìm lực nổi rất dễ dàng. Chỉ cần nhân ba giá trị này để tìm lực nổi tính bằng niutơn.
Hãy giải quyết vấn đề ví dụ của chúng tôi bằng cách thêm các giá trị của chúng tôi vào phương trình FMột = VNS × × g. NSMột = 0,262 mét3 × 1.000 kilôgam / mét3 × 9,81 newtons / kilogam = 2,570 newton.
Bước 5. Xem liệu vật thể của bạn có nổi hay không bằng cách so sánh lực nổi với lực hấp dẫn
Sử dụng phương trình lực nổi, thật dễ dàng tìm thấy lực đẩy một vật lên và ra khỏi chất lỏng. Tuy nhiên, chỉ cần thêm một chút nỗ lực, người ta cũng có thể xác định được vật thể sẽ nổi hay chìm. Chỉ cần tìm lực đẩy của toàn bộ vật thể (nói cách khác, sử dụng toàn bộ thể tích cho giá trị của VNS), sau đó tìm lực hấp dẫn đẩy nó xuống với phương trình G = (khối lượng của vật) (9,81 mét / giây2). Nếu lực nổi lớn hơn lực hấp dẫn thì vật sẽ nổi. Ngược lại, nếu lực hấp dẫn lớn hơn lực nổi thì vật sẽ chìm. Nếu độ lớn như nhau, vật thể được cho là nổi.
-
Ví dụ, giả sử chúng ta muốn biết một thùng hình trụ bằng gỗ có khối lượng 20 kg, đường kính 0,75 m và cao 1,25 m sẽ nổi trong nước hay không. Sự cố này sẽ sử dụng một số bước:
- Ta có thể tìm thể tích bằng công thức thể tích của khối trụ V = (bán kính)2(cao). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 mét3.
- Tiếp theo, giả sử rằng độ lớn của trọng lực là bình thường và của nước có khối lượng riêng bình thường, chúng ta có thể tìm thấy lực nổi của thùng. 0,55 mét3 × 1000 kilôgam / mét3 × 9,81 newtons / kilogam = 5,395, 5 newton.
- Bây giờ, chúng ta cần tìm lực hấp dẫn của thùng. G = (20 kg) (9,81 mét / giây2) = 196,2 newton. Lực này nhỏ hơn lực nổi nên thùng sẽ nổi.
Bước 6. Sử dụng phương pháp tương tự nếu chất lỏng của bạn là khí
Khi giải các bài toán về lực nổi, đừng quên rằng chất lỏng mà vật thể bị ngập không nhất thiết phải là chất lỏng. Chất khí cũng là chất lỏng, và mặc dù chất khí có tỷ trọng rất thấp so với các chất khác, chúng vẫn có thể hỗ trợ các vật thể có khối lượng nhất định trôi nổi trong chất khí. Một quả bóng khí heli đơn giản là bằng chứng cho điều đó. Vì khí trong quả bóng bay ít đặc hơn chất lỏng xung quanh (không khí xung quanh) nên quả bóng bay nổi!
Phương pháp 2/2: Thực hiện một thí nghiệm phao đơn giản
Bước 1. Đặt một chiếc bát hoặc cốc nhỏ bên trong một chiếc bát lớn hơn
Với một số vật dụng trong nhà, bạn có thể dễ dàng nhận thấy nguyên lý của sự nổi trong thí nghiệm! Trong thí nghiệm đơn giản này, chúng ta sẽ chứng minh rằng một vật chìm dưới nước chịu một lực nổi vì nó làm dịch chuyển một thể tích chất lỏng bằng thể tích của vật ngập nước. Khi chúng ta làm điều này, chúng ta cũng sẽ chứng minh một cách thực tế để tìm lực nổi của một vật bằng thí nghiệm này. Để bắt đầu, hãy đặt một vật chứa nhỏ, mở, chẳng hạn như bát hoặc cốc, bên trong một vật chứa lớn hơn, chẳng hạn như bát hoặc xô lớn.
Bước 2. Đổ đầy hộp nhỏ đến vành
Tiếp theo, đổ đầy nước vào hộp đựng nhỏ hơn bên trong. Bạn muốn nước cao bằng thùng chứa mà không bị tràn. Hãy cẩn thận ở đây! Nếu bạn làm đổ nước, hãy đổ hết nước trong thùng chứa lớn hơn trước khi thử lại.
- Đối với mục đích của thí nghiệm này, có thể giả sử rằng nước có khối lượng riêng chung là 1000 kilôgam / mét.3. Trừ khi bạn đang sử dụng nước biển hoặc một chất lỏng hoàn toàn khác, hầu hết các loại nước đều có tỷ trọng gần giống với giá trị tham chiếu này, do đó, một sự khác biệt nhỏ sẽ không thay đổi kết quả của chúng tôi.
- Nếu bạn có thuốc nhỏ mắt, điều này có thể rất hữu ích để nâng cao mực nước trong một hộp nhỏ.
Bước 3. Nhấn chìm vật thể nhỏ
Tiếp theo, tìm một vật nhỏ vừa với hộp đựng nhỏ và không bị nước làm hỏng. Tìm khối lượng của vật này bằng kilôgam (bạn có thể muốn sử dụng một cái cân hoặc cân có thể lấy gam và chuyển chúng sang kilôgam). Sau đó, không làm ướt các ngón tay của bạn, hãy nhúng vật đó vào nước cho đến khi vật đó bắt đầu nổi lên hoặc bạn có thể giữ nhẹ rồi thả vật đó ra. Bạn sẽ nhận thấy rằng một phần nước trong thùng nhỏ sẽ tràn ra thùng bên ngoài.
Với mục đích của ví dụ của chúng ta, giả sử chúng ta nhúng một chiếc ô tô đồ chơi có khối lượng 0,05 kg vào một thùng nhỏ. Chúng ta không cần biết khối lượng của chiếc xe này để tính toán sức nổi của nó vì chúng ta sẽ thấy điều đó trong bước tiếp theo
Bước 4. Thu thập và đếm lượng nước bị đổ
Khi bạn nhấn chìm một vật trong nước, vật đó sẽ chiếm chỗ của nước - nếu không sẽ không có chỗ để đặt vật đó vào nước. Khi một vật đẩy nước ra ngoài, nước sẽ đẩy lại, tạo ra lực nổi. Lấy phần nước bị đổ từ một hộp nhỏ và đổ vào một cốc đong nhỏ. Thể tích nước trong cốc đo bằng thể tích vật ngập nước.
Nói cách khác, nếu vật của bạn nổi, thể tích nước tràn ra sẽ bằng thể tích của vật chìm dưới mặt nước. Nếu vật của bạn chìm xuống thì thể tích nước tràn ra bằng tổng thể tích của vật
Bước 5. Tính khối lượng của phần nước bị tràn
Vì bạn biết khối lượng riêng của nước và bạn có thể đo thể tích của nước tràn ra trong cốc đo, bạn có thể tìm thấy khối lượng của nó. Chỉ cần thay đổi âm lượng thành mét3 (công cụ hỗ trợ chuyển đổi trực tuyến, như công cụ này, có thể hữu ích) và nhân với tỷ trọng của nước (1.000 kg / mét3).
Trong ví dụ của chúng tôi, giả sử chiếc ô tô đồ chơi của chúng tôi chìm vào một thùng chứa nhỏ và di chuyển khoảng hai muỗng canh (0,0003 mét3). Để tìm khối lượng của nước, chúng ta sẽ nhân nó với khối lượng riêng của nó: 1.000 kg / mét3 × 0,0003 mét3 = 0,03 kg.
Bước 6. So sánh khối lượng của nước tràn với khối lượng của vật
Bây giờ bạn đã biết khối lượng của vật bạn đang nhấn chìm trong nước và khối lượng của nước đã tràn ra, hãy so sánh chúng để xem khối lượng nào lớn hơn. Nếu khối lượng của một vật ngập trong một thùng nhỏ lớn hơn khối lượng nước tràn thì vật đó sẽ chìm. Ngược lại, nếu khối lượng của nước tràn càng lớn thì vật đó sẽ nổi. Đây là nguyên tắc của lực nổi trong thí nghiệm - để một vật thể nổi, nó phải dịch chuyển một lượng nước có khối lượng lớn hơn khối lượng của bản thân vật thể đó.
- Như vậy, những vật có khối lượng thấp nhưng thể tích lớn là loại vật dễ nổi nhất. Tính chất này có nghĩa là các vật thể rỗng nổi rất dễ dàng. Hãy tưởng tượng một chiếc ca nô - chiếc ca nô nổi tốt vì nó rỗng bên trong, vì vậy nó có thể di chuyển rất nhiều nước mà không cần phải có khối lượng lớn. Nếu ca nô không rỗng (đặc) thì ca nô sẽ không nổi.
- Trong ví dụ của chúng ta, chiếc xe có khối lượng lớn hơn (0,05 kg) so với lượng nước bị đổ (0,03 kg). Điều này đồng ý với những gì chúng ta quan sát: những chiếc xe chìm.
