כיצד מחשבים ציפה?
כדי לחשב ציפה, התחל על ידי חישוב נפח החלק השקוע של האובייקט. לאחר מכן, זהה את צפיפות הנוזל על ידי שימוש בחומרי התייחסות שיש לך ביד. ככל שהאובייקט המוצק עמוק יותר שקוע וככל שצפיפות הנוזל גבוהה יותר, כך כוח הציפה גדול יותר. ואז, מצא את כוח הכבידה. ברגע שאתה יודע נפח, צפיפות וכוח המשיכה, הכפל אותם יחד כדי להבין את הציפה של האובייקט! אם אתה רוצה ללמוד ניסוי כדי לנסות לבדוק ציפה, המשך לקרוא את המאמר!
כיצד אוכל לחשב את מרכז הציפה לבטון מלבני שקוע בחלקו במים?
ציפה היא הכוח הפועל מול כיוון הכבידה המשפיע על כל העצמים השקועים בנוזל. כאשר אובייקט מונח בנוזל, משקל האובייקט נדחק כלפי מטה על הנוזל (נוזל או גז) בעוד שכוח ציפה כלפי מעלה דוחף כלפי מעלה על האובייקט, פועל כנגד כוח המשיכה. באופן כללי, ניתן לחשב כוח ציפה זה במשוואה F b = v s × D × g, כאשר F b הוא כוח הציפה הפועל על האובייקט, V s הוא הנפח השקוע של האובייקט, D הוא צפיפות הנוזל בו האובייקט שקוע, ו- g הוא כוח הכבידה. כדי ללמוד כיצד לקבוע את ציפה של אובייקט, ראה שלב 1 להלן כדי להתחיל.
שיטה 1 מתוך 2: שימוש במשוואת כוח הציפה
- 1מצא את נפח החלק השקוע של האובייקט. כוח הציפה הפועל על עצם הוא ביחס ישר לנפח האובייקט שקוע. במילים אחרות, ככל שחפץ מוצק יותר שקוע יותר, כך כוח הציפה הפועל עליו גדול יותר. המשמעות היא שגם לאובייקטים השוקעים בנוזל יש כוח ציפה שדוחף עליהם כלפי מעלה. כדי להתחיל לחשב את כוח הציפה הפועל על אובייקט, הצעד הראשון שלך צריך להיות בדרך כלל לקבוע את נפח האובייקט שקוע בנוזל. עבור משוואת כוח הציפה, ערך זה צריך להיות במטר 3.
- עבור אובייקטים שקועים לחלוטין בנוזל, הנפח השקוע יהיה שווה לנפח האובייקט עצמו. עבור עצמים שצפים על פני נוזל, נחשב רק הנפח מתחת לפני השטח של הנוזל.
- כדוגמה, בואו נגיד שאנחנו רוצים למצוא את כוח הציפה הפועל על כדור גומי צף במים. אם הכדור הוא כדור מושלם בקוטר של מטר אחד והוא צף בדיוק במחצית הדרך שקוע במים, אנו יכולים למצוא את נפח החלק השקוע על ידי מציאת נפח הכדור כולו ונחלק אותו פנימה חצי. מכיוון שנפח הכדור הוא (1,33) π (רדיוס) 3, אנו יודעים שנפח הכדור שלנו הוא (1,33) π (0,5) 3 = 0,524 מטר 3. 0,522 = 0,262 מטר 3 שקוע.
- 2מצא את צפיפות הנוזל שלך. השלב הבא בתהליך מציאת כוח הציפה הוא הגדרת הצפיפות (בק"ג / מטר 3) של הנוזל שהאובייקט שקוע בו. צפיפות היא מדד למשקל של אובייקט או חומר ביחס לנפחו. בהינתן שני עצמים בעלי נפח שווה, האובייקט בעל הצפיפות הגבוהה יותר ישקול יותר. ככלל, ככל שצפיפות הנוזל שבה אובייקט שקוע גבוהה יותר, כך כוח הציפה גדול יותר. בנוזלים, בדרך כלל הכי קל לקבוע את הצפיפות פשוט על ידי חיפוש זה בחומרי עזר.
- בדוגמה שלנו, הכדור שלנו צף במים. על ידי התייעצות עם מקור אקדמי, אנו יכולים למצוא כי מים הם בעלי צפיפות של כ 1000 קילוגרם למטר 3.
- צפיפותם של נוזלים נפוצים רבים אחרים מפורטים במשאבים הנדסיים. רשימה כזו ניתן למצוא כאן.
- 3מצא את כוח הכבידה (או כוח אחר כלפי מטה). בין אם אובייקט שוקע או צף בנוזל שהוא שקוע בו, הוא תמיד נתון לכוח הכבידה. בשנות ה בעולם האמיתי, כוח כלפי מטה קבוע זה שווה בערך 9,81 / ניוטון לקילוגרם. עם זאת, במצבים בהם כוח אחר, כמו כוח צנטריפוגלי, פועל על הנוזל והאובייקט השקוע בתוכו, יש לקחת זאת בחשבון גם כדי לקבוע את הכוח ה"מטה "הכולל עבור המערכת כולה.
- בדוגמה שלנו, אם אנו עוסקים במערכת נייחת רגילה, אנו יכולים להניח כי הכוח היחיד כלפי מטה הפועל על הנוזל והאובייקט הוא כוח הכבידה הסטנדרטי - 9,81 ניוטון / קילוגרם.
ככלל, ככל שצפיפות הנוזל שבה אובייקט שקוע גבוהה יותר, כך כוח הציפה גדול יותר. - 4הכפל נפח × צפיפות × כוח משיכה. כאשר יש לך ערכים לנפח האובייקט שלך (במטר 3), צפיפות הנוזל שלך (בק"ג / מטר 3) וכוח הכובד (או הכוח כלפי מטה של המערכת שלך בניוטון / ק"ג), למצוא את כוח הציפה קל. פשוט הכפל את 3 הכמויות הללו כדי למצוא את כוח הציפה בניוטונים.
- בואו נפתור את בעיית הדוגמה שלנו על ידי חיבור הערכים שלנו למשוואה F b = V s × D × g. F b = 0,262 מטר 3 × 1000 קילוגרם / מטר 3 × 9,81 ניוטון / קילוגרם = 2570 ניוטון. היחידות האחרות מבטלות זו את זו ומשאירות אותך עם ניוטון.
- 5מצא אם האובייקט שלך צף על ידי השוואה לכוח המשיכה שלו. באמצעות משוואת כוח הציפה, קל למצוא את הכוח שדוחף אובייקט מעלה מהנוזל שהוא שקוע בתוכו. עם זאת, עם קצת עבודה נוספת ניתן גם לקבוע אם האובייקט יצוף או ישקע. כל שעליך לעשות הוא למצוא את כוח הציפה של האובייקט כולו (במילים אחרות, השתמש בנפח כולו שלו כ- V s) ואז מצא את כוח הכבידה שדוחף אותו מטה במשוואה G = (מסת האובייקט) (9,81 מטר / שנייה 2). אם כוח הציפה גדול מכוח הכבידה, האובייקט יצוף. מצד שני, אם כוח הכבידה גדול יותר, הוא ישקע. אם הם שווים, אומרים שהאובייקט צף נייטרלי.
- עצם צף נייטרלי לא יצוף מעל פני השטח ולא ישקע לתחתית כשהוא במים. זה פשוט יהיה תלוי בנוזל איפשהו בין החלק העליון והתחתון.
- לדוגמא, נניח שאנחנו רוצים לדעת אם חבית עץ גלילית 20 קילוגרם בקוטר של 0,75 מטר (2,5 רגל) וגובה של 1,25 מטר (4,1 רגל) תצוף במים. זה ייקח כמה צעדים:
- אנו יכולים למצוא את נפחו בעזרת נוסחת הנפח הגלילית V = π (רדיוס) 2 (גובה). V = π (0,375) 2 (1,25) = 0,55 מטר 3.
- לאחר מכן, בהנחה שכוח משיכה רגיל ומים בצפיפות רגילה, נוכל לפתור את כוח הציפה על הקנה. 0,55 מטר 3 × 1000 קילוגרם / מטר 3 × 9,81 ניוטון / קילוגרם = 5395,5 ניוטון.
- כעת, נצטרך למצוא את כוח הכבידה על הקנה. G = (20 ק"ג) (9,81 מטר / שנייה 2) = 196,2 ניוטון. זה הרבה פחות מכוח הציפה, כך שהקנה יצוף.
- 6השתמש באותה גישה כאשר הנוזל שלך הוא גז. בעת ביצוע בעיות ציפה, אל תשכח שהנוזל שהאובייקט שקוע בו לא בהכרח צריך להיות נוזל. גזים נחשבים גם לנוזלים, ולמרות שיש להם צפיפות נמוכה מאוד בהשוואה לסוגי חומר אחרים, הם עדיין יכולים לתמוך במשקלם של עצמים מסוימים שצפים בהם. בלון הליום פשוט הוא עדות לכך. מכיוון שהגז בבלון פחות צפוף מהנוזל סביבו (אוויר רגיל), הוא צף!
שיטה 2 מתוך 2: ביצוע ניסוי ציפה פשוט
- 1הניחו קערה קטנה או כוס בתוך כוס גדולה יותר. עם כמה פריטים ביתיים, קל לראות את עקרונות הציפה בפעולה! בניסוי פשוט זה נדגים שאובייקט שקוע חווה ציפה מכיוון שהוא מעביר נפח נוזל השווה לנפח האובייקט השקוע. כשאנו עושים זאת, נדגים גם כיצד ניתן למצוא למעשה את כוח הציפה של האובייקט בעזרת ניסוי זה. כדי להתחיל, הניחו מיכל פתוח קטן, כמו קערה או כוס, בתוך מיכל גדול יותר, כמו קערה גדולה או דלי.
כדי להתחיל לחשב את כוח הציפה הפועל על עצם, הצעד הראשון שלך צריך להיות בדרך כלל לקבוע את נפח האובייקט שקוע בנוזל. - 2ממלאים את המיכל הפנימי עד אפס מקום. לאחר מכן, מלאו את המיכל הפנימי הקטן במים. אתה רוצה שגובה המים יהיה בחלק העליון של המכולה מבלי שנשפך. היזהר כאן! אם נשפך מים כלשהם, רוקן את המיכל הגדול יותר לפני שתנסה שוב.
- למטרות ניסוי זה, ניתן להניח כי מים הם בעלי צפיפות סטנדרטית של 1000 קילוגרם למטר 3. אלא אם כן אתה משתמש במים מלוחים או בנוזל אחר לחלוטין, לרוב סוגי המים תהיה צפיפות הקרובה מספיק לערך הייחוס הזה, כך שכל הבדל זעיר לא ישנה את התוצאות שלנו.
- אם יש לך טפטפת נוח, זה יכול להועיל מאוד לפילוס מדויק של המים במיכל הפנימי.
- 3שקע אובייקט קטן. לאחר מכן, מצא חפץ קטן שיכול להתאים למכל הפנימי ולא יינזק ממים. מצא את המסה של אובייקט זה בקילוגרמים (ייתכן שתרצה להשתמש בסולם או באיזון שיכול לתת לך גרם ולהמיר עד קילוגרמים). ואז, מבלי לתת לאצבעותיכם להירטב, טבלו זאת באטיות ובהתמדה במים עד שהיא מתחילה לצוף או שאתם בקושי מצליחים להחזיק בה, ואז הרפו. כדאי לשים לב לחלק מהמים במיכל הפנימי שנשפכים מעל הקצה למיכל החיצוני.
- לצורך הדוגמה שלנו, בואו נגיד שאנחנו מורידים מכונית צעצוע עם מסה של 0,05 קילוגרם למיכל הפנימי. אנחנו לא צריכים לדעת את נפח המכונית הזו כדי לחשב את הציפה שלה, כפי שנראה בשלב הבא.
- 4אוספים ומודדים את המים שנשפכים. כשאתה טובל חפץ במים, הוא עוקר חלק מהמים - אם לא, לא היה מקום להיכנס למים. כאשר הוא דוחף מים אלה מהדרך, המים נדחקים לאחור, וכתוצאה מכך ציפה. הוציאו את המים שנשפכו מהמיכל הפנימי ושפכו אותם לכוס מדידה קטנה מזכוכית. נפח המים בכוס צריך להיות שווה לנפח האובייקט השקוע.
- במילים אחרות, אם האובייקט שלך צף, נפח המים שנשפך יהיה שווה לנפח האובייקט השקוע מתחת לפני המים. אם האובייקט שלך שקע, נפח המים שנשפך יהיה שווה לנפח האובייקט כולו.
כיצד ניתן למצוא ציפה כאשר ניתן נפח והגוף טובל במים לחלוטין? - 5חשב את משקל המים שנשפכו. מכיוון שאתה יודע את צפיפות המים ואתה יכול למדוד את נפח המים שנשפכו לכוס המדידה, אתה יכול למצוא את המסה שלהם. כל שעליך לעשות הוא להמיר את נפחו למטר 3 (כלי המרה מקוון, כמו זה, יכול להועיל כאן) והכפל אותו בצפיפות המים (1000 קילוגרם / מטר 3).
- בדוגמה שלנו, בואו נגיד שמכונית הצעצוע שלנו שקעה במיכל הפנימי ועקרה כשתי כפות (0,00003 מטר 3). כדי למצוא את מסת המים שלנו, נכפיל את זה בצפיפותם: 1000 ק"ג / מטר 3 × 0,00003 מטר 3 = 0,03 ק"ג.
- 6השווה את מסת המים העקורים למסת האובייקט. עכשיו שאתה יודע את המסה של האובייקט ששקעת במים וגם את מסת המים שעקרה, השווה אותם כדי לראות מה גדול יותר. אם מסת העצם השקועה במיכל הפנימי גדולה מזו של המים העקורים, הוא היה צריך לשקוע. מצד שני, אם מסת המים העקורים גדולה יותר, האובייקט היה צריך לצוף. זהו עיקרון הציפה בפעולה - כדי שאובייקט יהיה צף (צף), עליו לעקור כמות מים עם מסה גדולה מזו של האובייקט עצמו.
- לפיכך, עצמים בעלי מסות נמוכות אך נפחים גדולים הם סוגי החפצים הגדולים ביותר. מאפיין זה פירושו שחפצים חלולים צפים במיוחד. חשבו על קאנו - הוא צף היטב כי הוא חלול מבפנים, כך שהוא מסוגל לעקור מים רבים מבלי שיהיה לו מסה גבוהה מאוד. אם סירות קאנו היו מוצקות, הן בכלל לא היו צפות טוב מאוד.
- בדוגמה שלנו, למכונית יש מסה גבוהה יותר (0,05 ק"ג) מהמים שעקרה (0,03 ק"ג). זה מסתדר עם מה שצפינו: המכונית שקעה.
- השתמש בסולם או באיזון שניתן להגדיר לאפס לאחר כל קריאה כדי לעזור במדידות מדויקות.
- כוס קטנה או קערה
- קערה או דלי גדולים יותר
- חפץ צולל קטן (כמו כדור גומי)
- כוס מדידה
שאלות ותשובות
- כמה ציפה יש לטנק בגודל 6 מטר על 15 מטר?"Bouyancy" נקבע על ידי הנפח השקוע של האובייקט ולא על פי גודל המכל.
- מה ההבדל בין חישוב צפיפות לנפח?חישוב הנפח הוא אורך x רוחב x עומק. זה בא לידי ביטוי במ"ק (רגל מעוקב וכו ') מכיוון שאתה מכפיל מטר x מטר x מטר. צפיפות מתייחסת לנפח למסת האובייקט ומחושבת כמסה / נפח (מסה חלקי נפח) מבוטאת בק"ג / מטר מעוקב או דומה.
- כיצד אוכל לחשב את מרכז הציפה לבטון מלבני שקוע בחלקו במים?שוקל בטון כ- 100 ק"ג / מ"ר ואילו מים שוקלים כ- 62,5 ק"ג / מ"ר. כך שלבטון אין ציפה. כל דבר קל משקל הכבידה הספציפי של 1 (62,5 ליברות) יצוף. כל דבר כבד יותר ישקע!
- גוף צף במים עם 70% מנפח בתוך המים. כאשר אותו גוף צף בנוזל אחר, הוא צף עם 60% מנפחו מחוץ לנוזל. מהי הצפיפות היחסית של הנוזל?הציפה המופעלת בשני המקרים זהה מכיוון שהגוף נמצא במנוחה. אם יש לו נפח V, אז F = 0,7Vρ₁g = 0,6Vρ₂g כאשר ρ₁ הוא צפיפות הנוזל הראשון, ρ₂ הוא צפיפות הנוזל השני ו- g הוא התאוצה הנובעת מכוח המשיכה. הצפיפות היחסית היא ρ₁ / ρ₂, לכן עלינו להפוך את הצפיפות לנושא. ρ₁ = F / (0,7Vg) ו- ρ₂ = F / (0,6Vg), כך ρ₁ / ρ₂ = (F / (0,7Vg)) / (F / (0,6Vg)). F, V ו- g מבטלים ומקבלים ρ₁ / ρ₂ = 0,6 / 0,7 = 85,7%.
- איך אוכל לדעת אם אובייקט יצוף או ישקע?אם חפץ שוקל יותר מנפח שווה של מים, הוא צפוף יותר וישקע; אם הוא שוקל פחות מנפח מים שווה, הוא פחות צפוף ויצוף.
- מה הציפה של מי מלח?בדרך כלל מי מלח הם קשים. מכאן שהציפה של מי מלח תהיה בצד גבוה יותר בהשוואה למים מתוקים.
- כיצד אוכל למצוא את צפיפות הנוזל באמצעות כוח ונפח צפים?חלק את הכוח הצף ב- (הנפח x התאוצה בגלל כוח המשיכה).
- אם אני יודע מה המשקל השקול וכוח הציפה של אובייקט, כיצד אוכל לקבוע את משקלו באוויר?כוח ציפה = משקל האובייקט במים / משקל האובייקט באוויר. חבר את המספרים שאתה מכיר ופותר.
- כיצד אוכל לחשב ציפה?כוח ציפה שווה לנפח הנוזל מוכפל בצפיפות ומכופל בכוח המשיכה.
- כיצד אוכל לחשב משקל צינור עם צפיפות אחת בפנים וצפיפות שונה בחוץ אם הצינור סגור?המשקל כפוף לכוח המשיכה ו / או הציפה. אתה מתכוון למסת הצינור? כדי למצוא את מסת הצינור, חישבו את נפח קירות הצינור והכפלו בצפיפות החומר. בצע את אותו הדבר לגבי נפח החומר שהצינור סוגר, והוסף את שתי התוצאות יחד כדי למצוא את המסה. לאחר מכן תוכל לחבר זאת לחישוב שלמעלה.
שאלות ללא מענה
- מה הנוסחה ללחץ לרוחב?
- כיצד ניתן למצוא ציפה כאשר ניתן נפח והגוף טובל במים לחלוטין?
- באיזו דרגה יש להטביל ספינה במים?
- כיצד אוכל לחשב את הקיבולת של פונטון צף במים מתוקים (למשל, כמה אנשים יכולים לעמוד בבטחה על הפונטון הצף)?
- מה הנוסחה ללחץ הצדי בעת חישוב ציפה?
תגובות (9)
- מאמר מפורט עם ניסוי.
- זה באמת עזר לי מאוד לקראת החידון שלנו בהמשך.
- עוזר מאוד. הסבר פשוט טוב מאוד.
- ההסבר כיצד למצוא כוח צף הוא מדהים. אני אוהב את האתר הזה, זה עוזר לי מאוד. תודה.
- אנתוני עשה עבודה נהדרת להדריך אותי בשיטת החישוב של ציפה.
- מאמר כתוב היטב. נוסחאות קלות לשימוש.
- זה עזר לי להבין מה וכיצד הציפה מוגדרת ונחושה.
- זה עבד כל כך טוב. למדתי משהו!
- עזר לי להבין את נושא כוח הציפה.
