Vad är flytande kraft? Ursprung, principer, formler

Uppdrift är den kraft som gör det möjligt för båtar och strandbollar att flyta på vatten. Termen flytande kraft hänvisar till den uppåtriktade kraften som en vätska (antingen en vätska eller en gas) utövar på ett föremål som är delvis eller helt nedsänkt i vätskan. Den kraftiga kraften förklarar också varför vi lättare kan lyfta föremål under vattnet än på land.

Key Takeaways: Buoyant Force

• Termen flytkraft avser den uppåt riktade kraften som en vätska utövar på ett föremål som är delvis eller helt nedsänkt i fluidet. 
• Den flytande kraften uppstår från skillnader ihydrostatisk tryck - trycket som utövas av en statisk vätska.
• Archimedes-principen säger att den flytande kraften som utövas på ett föremål som delvis eller helt nedsänkt i en vätska är lika med vikten på den vätska som förskjuts av föremålet.

Eureka Moment: The First Observation of Buoyancy

Enligt den romerska arkitekten Vitruvius upptäckte den grekiska matematikern och filosofen Archimedes först flytkraft på 300-talet f.Kr. medan han förundrade sig över ett problem som kung Hiero II från Syracuse ställde honom. Kung Hiero misstänkte att hans guldkrona, gjord i form av en krans, egentligen inte var gjord av rent guld, utan snarare en blandning av guld och silver.

Påstås, när han badade, märkte Archimedes att ju mer han sjönk i badkaret, desto mer vatten rann ut ur det. Han insåg att detta var svaret på hans benägenhet och rusade hem medan han ropade "Eureka!" ("Jag har hittat det!") Han gjorde sedan två föremål - ett guld och ett silver - som hade samma vikt som kronan, och släppte var och en i ett kärl fylld till randen med vatten.

Archimedes observerade att silvermassan fick mer vatten att rinna ut ur kärlet än guldmassan. Därefter observerade han att hans "guld" -krona fick mer vatten att rinna ut ur kärlet än det rena guldföremålet han hade skapat, även om de två kronorna hade samma vikt. Således demonstrerade Archimedes att hans krona verkligen innehöll silver.

Även om denna berättelse illustrerar principen om flytkraft, kan det vara en legend. Archimedes skrev aldrig historien själv. I praktiken, om en liten mängd silver verkligen byts ut för guldet, skulle den mängd vatten som förflyttats vara för liten för att tillförlitligt kunna mäta.

Före upptäckten av flytkraft trodde man att ett objekts form bestämde om det skulle flyta eller inte.

Flytkraft och hydrostatisk tryck

Den flytande kraften uppstår från skillnader i hydrostatiskt tryck - trycket som utövas av en statisk vätska. En boll som placeras högre upp i en vätska kommer att uppleva mindre tryck än samma boll placerad längre ner. Detta beror på att det finns mer vätska, och därför mer vikt, som verkar på bollen när den är djupare i vätskan.

Således är trycket längst upp på ett föremål svagare än trycket i botten. Tryck kan konverteras till kraft med formeln Force = Pressure x Area. Det finns en nettokraft som pekar uppåt. Denna nettokraft - som pekar uppåt oberoende av objektets form - är flytkraften.

Det hydrostatiska trycket ges av P = rgh, där r är vätskans densitet, g är acceleration på grund av tyngdkraften och h är djup inuti vätskan. Det hydrostatiska trycket beror inte på vätskans form.

Archimedes-principen

De Archimedes-principen säger att den flytande kraften som utövas på ett föremål som är nedsänkt delvis eller helt i en fluid är lika med vikten av fluidet som förskjuts av föremålet.

Detta uttrycks med formeln F = rgV, där r är vätskans densitet, g är acceleration på grund av tyngdkraften, och V är den volym fluid som förskjuts av objektet. V är bara lika med objektets volym om det är helt nedsänkt.

Den flytande kraften är en uppåtgående kraft som motsätter sig tyngdkraften nedåt. Storleken hos den flytande kraften avgör om ett föremål sjunker, flyter eller stiger när det är nedsänkt i en vätska.

• Ett objekt sjunker om gravitationskraften som verkar på den är större än den flytande kraften.
• Ett objekt flyter om gravitationskraften som verkar på det är lika med den kraftiga kraften.
• Ett objekt kommer att stiga om gravitationskraften som verkar på det är mindre än den flytande kraften.

Flera andra observationer kan också dras från formeln.

• Nedsänkta föremål som har lika stora volymer kommer att förflytta samma mängd vätska och uppleva samma storleksordning av flytkraft, även om föremålen är gjorda av olika material. Dessa objekt skiljer sig emellertid i vikt och flyter, stiger eller sjunker.
• Luft, som har en densitet som är ungefär 800 gånger lägre än vattnet, kommer att uppleva en mycket mindre flytande kraft än vatten.

Exempel 1: En delvis nedsänkt kub

En kub med en volym på 2,0 cm³ är nedsänkt halvvägs i vatten. Vad är den flytande kraften som kuben upplever?

• Vi vet att F = rgV.
• r = täthet av vatten = 1000 kg / m³
• g = gravitationsacceleration = 9,8 m / s²
• V = hälften av kubens volym = 1,0 cm³ = 1,0 * 10^-6 m³
• F = 1000 kg / m³ * (9,8 m / s²) * 10^-6 m³ = 0,0098 (kg * m) / s² = .0098 Newton.

Exempel 2: En helt nedsänkt kub

En kub med en volym på 2,0 cm³ är nedsänkt helt i vatten. Vad är den flytande kraften som kuben upplever?

• Vi vet att F = rgV.
• r = vattentäthet = 1000 kg / m3
• g = gravitationsacceleration = 9,8 m / s²
• V = kubens volym = 2,0 cm³ = 2,0 * 10^-6 m3
• F = 1000 kg / m³ * (9,8 m / s²) * 2,0 * 10-6 m³ = 0,0196 (kg * m) / s² = .0196 Newton.

källor

• Biello, David. "Fakta eller fiktion ?: Archimedes myntade termen" Eureka! " i badet." Scientific American, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
• "Densitet, temperatur och salthalt." University of Hawaii, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
• Rorres, Chris. "Golden Crown: introduktion." New York State University, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.