Cómo calcular la flotabilidad (con imágenes)

La flotabilidad es la fuerza que actúa opuesta a la dirección de gravedad que afecta a todos los objetos sumergidos en un fluido. Cuando se coloca un objeto en un fluido, el peso del objeto empuja hacia abajo en el fluido (líquido o gas) mientras que una fuerza de flotabilidad hacia arriba empuja hacia arriba en el objeto, actuando contra la gravedad. En términos generales, esta fuerza de flotabilidad se puede calcular con la ecuación F_B = V_s × d × g, donde f_B es la fuerza de flotabilidad que está actuando sobre el objeto, v_s ¿El volumen sumergido del objeto, D es la densidad del fluido en el que se sumerge, y G es la fuerza de la gravedad?. Para saber cómo determinar la flotabilidad de un objeto, vea el paso 1 a continuación para comenzar.

Pasos

Método 1 de 2:

Utilizando la ecuación de la fuerza de flotabilidad

Encontrar el volumen de la parte sumergida del objeto. La fuerza de la flotabilidad que actúa sobre un objeto es directamente proporcional al volumen del objeto que se sumerge. En otras palabras, más de un objeto sólido que se sumerge, mayor será la fuerza de la flotabilidad que actúa en ella. Esto significa que incluso los objetos que se hunden en líquido tienen una fuerza de flotabilidad que empuja hacia arriba en ellos. Para comenzar a calcular la fuerza de flotabilidad que actúa en un objeto, su primer paso debe ser generalmente determinar el volumen del objeto que se sumerge en fluido. Para la ecuación de la fuerza de flotabilidad, este valor debe ser en metros.

Para los objetos que están completamente sumergidos en fluido, el volumen sumergido será igual al volumen del propio objeto. Para los objetos que están flotando en la superficie de un fluido, solo se considera el volumen debajo de la superficie del fluido.
Como ejemplo, digamos que queremos encontrar la fuerza de flotabilidad que actúa sobre una bola de goma flotando en agua. Si la pelota es una esfera perfecta con un diámetro de 1 metro (3.3 pies) y está flotando exactamente a mitad de camino sumergido en el agua, podemos encontrar el volumen de la parte sumergida al encontrar el volumen de toda la bola y dividízalo por la mitad. Dado que el volumen de una esfera es (4/3) π (radio), sabemos que el volumen de nuestra bola es (4/3) π (0.5) = 0.524 metros. 0.524/2 = 0.262 metros sumergidos.

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Encontrar la densidad de tu fluido. El siguiente paso en el proceso de encontrar la fuerza de flotabilidad es definir la densidad (en kilogramos / metro) del líquido que el objeto se sumerge en. La densidad es una medida de un objeto o peso de sustancias en relación con su volumen. Dados dos objetos de igual volumen, el objeto con mayor densidad pesará más. Como regla general, mayor será la densidad del fluido un objeto sumergido, mayor será la fuerza de la flotabilidad. Con fluidos, generalmente es más fácil determinar la densidad simplemente buscando en materiales de referencia.

En nuestro ejemplo, nuestra pelota está flotando en agua. Al consultar una fuente académica, podemos encontrar que el agua tiene una densidad de aproximadamente 1,000 kilogramos / metro.

Las densidades de muchos otros fluidos comunes se enumeran en los recursos de ingeniería. Una de esas listas se pueden encontrar aquí.

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3. Encuentra la fuerza de la gravedad (u otra fuerza descendente). Si un objeto se hunde o flota en el fluido, está sumergido, siempre está sujeto a la fuerza de la gravedad. En el mundo real, esta constante fuerza descendente es igual a 9.81 Newtons / Kilogramo. Sin embargo, en situaciones en las que otra fuerza, como la fuerza centrífuga, está actuando sobre el fluido y el objeto sumergido en ella, esto también debe tenerse en cuenta para determinar el total "hacia abajo" Fuerza para todo el sistema.

En nuestro ejemplo, si estamos lidiando con un sistema ordinario y estacionario, podemos asumir que la única fuerza a la baja que actúa sobre el líquido y el objeto es la fuerza estándar de la gravedad 9.81 Newtons / Kilogramo.

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4. Multiplica volumen × densidad × gravedad. Cuando tiene valores para el volumen de su objeto (en metros), la densidad de su fluido (en kilogramos / metro), y la fuerza de gravedad (o la fuerza descendente de su sistema en Newtons / kilogramas), encontrando la fuerza de flotabilidad es fácil. Simplemente multiplica estas 3 cantidades para encontrar la fuerza de la flotabilidad en Newtons.

Vamos a resolver nuestro problema de ejemplo conectando nuestros valores a la ecuación F_B = V_s × d × g. F_B = 0.262 metros × 1,000 kilogramos / metro × 9.81 Newtons / Kilogramo = 2.570 Newtons. Las otras unidades se cancelan entre sí y te dejan con Newtons.

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5. Encuentra si su objeto flota comparando con su fuerza de gravedad. Usando la ecuación de la fuerza de flotabilidad, es fácil encontrar la fuerza que está presionando un objeto fuera del fluido que está sumergido en. Sin embargo, con un poco de trabajo extra, también es posible determinar si el objeto flotará o se hundirá. Simplemente encuentre la fuerza de flotabilidad para todo el objeto (en otras palabras, use su volumen completo como v_s), luego encuentre la fuerza de la gravedad que lo presiona con la ecuación g = (masa de objeto) (9.81 metros / segundo). Si la fuerza de la flotabilidad es mayor que la fuerza de la gravedad, el objeto flotará. Por otro lado, si la fuerza de la gravedad es mayor, se hundirá. Si son iguales, se dice que el objeto es neutralmente flotante.

Un objeto neubral no flotará hacia la superficie o se hundirá hasta el fondo cuando está en agua. Simplemente se suspenderá en el fluido en algún lugar entre la parte superior e inferior.

Por ejemplo, digamos que queremos saber si un barril de madera cilíndrico de 20 kilogramos con un diámetro de .75 metros (2.5 pies) y una altura de 1.25 metros (4.1 pies) flotará en agua. Esto llevará varios pasos:

Podemos encontrar su volumen con la fórmula de volumen cilíndrica V = π (radio) (altura). V = π (.375) (1.25) = 0.55 metros.

A continuación, asumiendo la gravedad ordinaria y el agua con densidad ordinaria, podemos resolver la fuerza de la flotabilidad en el barril. 0.55 metros × 1000 kilogramos / metro × 9.81 Newtons / Kilogramo = 5,395.5 Newtons.

Ahora, tendremos que encontrar la fuerza de la gravedad en el barril. G = (20 kg) (9.81 metros / segundo) = 196.2 Newtons. Esto es mucho menor que la fuerza de flotabilidad, por lo que el barril flotará.

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6. Utilice el mismo enfoque cuando su líquido es un gas. Al realizar problemas de flotabilidad, no olvide que el líquido que el objeto está sumergido en no necesariamente tiene que ser un líquido. Los gases también cuentan como fluidos, y, aunque tienen densidades muy bajas en comparación con otros tipos de materia, todavía pueden soportar el peso de ciertos objetos que flotan en ellos. Un simple globo de helio es evidencia de esto. Debido a que el gas en el globo es menos denso que el fluido alrededor de él (aire ordinario), flota!

Método 2 de 2:

Realizando un simple experimento de flotabilidad

1. Coloque un tazón pequeño o una taza dentro de uno más grande. Con algunos artículos para el hogar, es fácil ver los principios de la flotabilidad en acción! En este simple experimento, demostraremos que un objeto sumergido experimenta la flotabilidad porque desplaza un volumen de líquido igual al volumen del objeto sumergido. Como hicimos esto, también demostraremos cómo encontrar prácticamente la fuerza de flotabilidad de un objeto con este experimento. Para comenzar, coloque un pequeño recipiente abierto, como un tazón o una taza, dentro de un recipiente más grande, como un tazón grande o un cubo.

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2. Llene el contenedor interior al borde. A continuación, rellene el pequeño recipiente interior con agua. Quieres que el nivel de agua esté en la parte superior del contenedor sin derramarse. Tener cuidado aquí! Si derramas cualquier agua, vacíe el recipiente más grande antes de volver a intentarlo.

A los efectos de este experimento, es seguro asumir que el agua tiene una densidad estándar de 1000 kilogramos / metro. A menos que esté usando agua salada o un líquido diferente, la mayoría de los tipos de agua tendrán una densidad lo suficientemente cerca de este valor de referencia que cualquier diferencia menor no altere nuestros resultados.

Si tiene un tyneropper a mano, esto puede ser muy útil para nivelar con precisión el agua en el contenedor interior.

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3. Sumergir un objeto pequeño. A continuación, encuentre un objeto pequeño que pueda caber dentro del contenedor interior y no será dañado por el agua. Encuentre la masa de este objeto en kilogramos (es posible que desee usar una escala o un saldo que pueda darle gramos y convertirlo en kilogramos). Luego, sin dejar que sus dedos se mojen, lentamente y constantemente sumen esto en el agua hasta que comience a flotar o simplemente puede aferrarse, luego soltarlo. Debe notar que algunos de los agua en el recipiente interno se derraman sobre el borde en el contenedor exterior.

A los efectos de nuestro ejemplo, digamos que estamos reduciendo un automóvil de juguete con una masa de 0.05 kilogramos en el contenedor interior. No necesitamos saber el volumen de este automóvil para calcular su flotabilidad, como lo veremos en el siguiente paso.

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4. Recoge y mida el agua que se derrama. Cuando sumerge un objeto en el agua, desplaza algo del agua, si no lo hizo, no habría ningún espacio para que ingrese al agua. Cuando empuja este agua fuera del camino, el agua empuja hacia atrás, lo que resulta en la flotabilidad. Tome el agua que se derramó del recipiente interior y lo vierte en una pequeña copa de medición de vidrio.El volumen de agua en la copa debe ser igual al volumen del objeto sumergido.

En otras palabras, si su objeto flota, el volumen del agua que se derrama, será igual al volumen del objeto sumergido debajo de la superficie del agua. Si su objeto se hundió, el volumen del agua que se derrama, será igual al volumen de todo el objeto.

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5. Calcular el peso del agua derramada. Ya que usted conoce la densidad del agua y puede medir el volumen del agua que se derramó en la taza de medición, puede encontrar su masa. Simplemente convierta su volumen a los medidores (una herramienta de conversión en línea, como Éste, Puede ser útil aquí) y multiplícelo por la densidad del agua (1,000 kilogramos / metros).

En nuestro ejemplo, vamos a decir que nuestro coche de juguetes se hundió en el contenedor interior y desplazó alrededor de dos cucharadas (.00003 metros). Para encontrar la masa de nuestro agua, nos multiplicaríamos esto por su densidad: 1,000 kilogramos / metros × .00003 metros = 0.03 kilogramos.

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6. Compara la masa del agua desplazada a la masa del objeto. Ahora que conoce la masa tanto del objeto que sumergió en el agua y la masa del agua que se desplaza, compáralos para ver cuál es mayor. Si la masa del objeto sumergida en el contenedor interno es mayor que la del agua desplazada, debería haberse hundido. Por otro lado, si la masa del agua desplazada es mayor, el objeto debería haber flotado. Este es el principio de la flotabilidad en la acción, para que un objeto sea flotante (flotador), tiene que desplazar una cantidad de agua con una masa mayor que la del propio objeto.

Por lo tanto, objetos con masas bajas, pero grandes volúmenes son los tipos de objetos más flotantes. Esta propiedad significa que los objetos huecos son especialmente flotantes. Piense en una canoa: flota bien porque es hueco en el interior, por lo que es capaz de desplazar mucha agua sin tener una masa muy alta. Si las canoas fueran sólidas, no flotarían muy bien en absoluto.

En nuestro ejemplo, el coche tiene una masa más alta (0.05 kilogramos) que el agua que se desplaza (0.03 kilogramos). Esto se alinea con lo que observamos: el coche se hundió.