Daya apung adalah daya yang berlawanan dengan graviti, yang mempengaruhi semua objek yang terendam dalam bendalir. Apabila objek diletakkan dalam bendalir, jisim objek menekan bendalir (cecair atau gas), sementara daya apung mendorong objek melawan graviti. Secara umum, daya apung ini dapat dikira dengan persamaan Fa = Vt × × g, dengan Fa ialah daya apung, Vt adalah isipadu objek yang terendam, adalah ketumpatan bendalir, dan g adalah daya graviti. Untuk mengetahui cara menentukan daya apung objek, lihat Langkah 1 di bawah untuk memulakan.
Langkah
Kaedah 1 dari 2: Menggunakan Persamaan Keapungan
Langkah 1. Cari isipadu bahagian objek yang terendam
Daya apung yang bertindak pada suatu objek berkadar dengan isipadu objek yang terendam. Dengan kata lain, semakin besar bahagian pepejal yang terendam, semakin besar daya apung yang bertindak pada objek. Ini bermaksud bahawa objek yang terendam dalam cairan, mempunyai daya apung yang mendorong objek ke atas. Untuk mula mengira daya apung yang bertindak pada objek, langkah pertama anda biasanya adalah menentukan isipadu objek yang terendam dalam bendalir. Untuk persamaan daya apung, nilai ini mestilah dalam meter3.
- Untuk objek yang tenggelam sepenuhnya dalam cairan, isipadu yang terendam sama dengan isi objek itu sendiri. Untuk objek yang terapung di atas permukaan cecair, hanya isipadu di bawah permukaan yang dikira.
- Sebagai contoh, andaikan kita mahu mencari daya apung yang bertindak pada bola getah yang terapung di atas air. Sekiranya bola getah adalah sfera sempurna dengan diameter 1 m dan mengapung dengan separuh dari itu terendam di bawah air, kita dapat mencari isipadu bahagian yang terendam dengan mencari jumlah isi sfera dan dibahagi dengan dua. Oleh kerana isipadu sfera adalah (4/3) (radius)3, kita tahu bahawa isipadu sfera kita adalah (4/3) π (0, 5)3 = 0.524 meter3. 0, 524/2 = 0.262 meter3 tenggelam.
Langkah 2. Cari ketumpatan cecair anda
Langkah seterusnya dalam proses mencari daya apung adalah menentukan ketumpatan (dalam kilogram / meter3) cecair di mana objek itu direndam. Ketumpatan adalah pengukuran jisim objek atau bahan berbanding isipadu. Sekiranya diberi dua objek dengan isipadu yang sama, objek dengan ketumpatan yang lebih besar akan mempunyai lebih banyak jisim. Menurut peraturan, semakin besar ketumpatan bendalir di mana benda itu terendam, semakin besar daya apung. Dengan cecair, biasanya cara termudah untuk menentukan ketumpatan adalah dengan mencarinya dalam bahan rujukan.
- Dalam contoh kita, bola kita terapung di air. Dengan melihat sumber akademik, kita dapati bahawa air mempunyai ketumpatan kira-kira. 1,000 kilogram / meter3.
- Ketumpatan bendalir lain yang banyak digunakan disenaraikan dalam sumber kejuruteraan. Salah satu senarai boleh didapati di sini.
Langkah 3. Cari daya graviti (atau beberapa daya ke bawah yang lain)
Sama ada objek tenggelam atau terapung dalam bendalir, ia selalu mempunyai daya graviti. Di dunia nyata, pemalar daya ke bawah sama dengan 9.81 Newton / kilogram. Namun, dalam situasi di mana daya lain, seperti daya sentrifugal, bertindak ke atas bendalir dan objek yang terendam di dalamnya, daya ini juga harus diambil kira untuk menentukan daya jaring bersih untuk seluruh sistem.
- Dalam contoh kita, kita bekerja dengan sistem statik biasa, jadi kita boleh menganggap bahawa satu-satunya daya ke bawah yang bertindak pada cecair dan objek adalah daya graviti umum - 9.81 Newton / kilogram.
- Namun, bagaimana jika bola kita, yang terapung di dalam baldi air, diayunkan dalam bulatan ke arah mendatar dengan kelajuan tinggi? Dalam kes ini, dengan menganggap baldi diayunkan cukup cepat sehingga air dan bola tidak tumpah, daya ke bawah dalam situasi ini akan diturunkan dari daya sentrifugal yang dibuat oleh ayunan baldi, bukan dari gravitasi Bumi.
Langkah 4. Gandakan isipadu × ketumpatan × graviti
Sekiranya anda mempunyai nilai isipadu objek anda (dalam meter3, ketumpatan cecair anda (dalam kilogram / meter3), dan daya graviti (daya ke bawah pada sistem anda), jadi mencari daya apung sangat mudah. Gandakan ketiga-tiga nilai ini untuk mencari daya apung dalam nada.
Mari selesaikan masalah contoh kita dengan memasukkan nilai kita ke dalam persamaan Fa = Vt × × g. Fa = 0.262 meter3 × 1,000 kilogram / meter3 × 9.81 Newton / kilogram = 2,570 Newton.
Langkah 5. Lihat apakah objek anda terapung dengan membandingkan daya apung dengan daya graviti
Dengan menggunakan persamaan daya apung, mudah untuk mencari daya yang mendorong objek ke atas dan keluar dari bendalir. Namun, dengan sedikit usaha tambahan, juga mungkin untuk menentukan apakah objek akan melayang atau tenggelam. Cari daya apung untuk keseluruhan objek (dengan kata lain, gunakan keseluruhan isipadu untuk nilai Vt, kemudian cari daya graviti mendorongnya ke bawah dengan persamaan G = (jisim objek) (9.81 meter / saat2). Sekiranya daya apung lebih besar daripada daya graviti, objek akan terapung. Sebaliknya, jika daya graviti lebih besar daripada daya apung, objek tersebut akan tenggelam. Sekiranya magnitudnya sama, objek itu dikatakan melayang.
-
Sebagai contoh, katakan kita ingin tahu sama ada tong silinder kayu dengan jisim 20 kilogram dan diameter 0.75 m dan ketinggian 1.25 m akan terapung di dalam air. Masalah ini akan menggunakan beberapa langkah:
- Kita dapat mencari isipadu dengan formula untuk isipadu silinder V = (jejari)2(tinggi). V = (0, 375)2(1, 25) = 0.55 meter3.
- Seterusnya, dengan andaian bahawa besarnya graviti adalah biasa dan air dengan ketumpatan biasa, kita dapat mencari daya apung laras. 0.55 meter3 × 1000 kilogram / meter3 × 9.81 Newton / kilogram = 5,395, 5 newton.
- Sekarang, kita perlu mencari daya graviti tong. G = (20 kg) (9.81 meter / saat2) = 196.2 Newton. Daya ini kurang daripada daya apung, jadi tong akan terapung.
Langkah 6. Gunakan pendekatan yang sama jika cecair anda adalah gas
Semasa menangani masalah daya apung, jangan lupa bahawa cairan di mana benda itu tenggelam tidak harus menjadi cairan. Gas juga cairan, dan, walaupun gas mempunyai ketumpatan yang sangat rendah dibandingkan dengan bahan lain, gas masih dapat menyokong jisim objek tertentu yang terapung di dalam gas. Belon helium sederhana adalah bukti itu. Oleh kerana gas di dalam belon kurang padat daripada bendalir di sekitarnya (udara ambien), maka belon itu terapung!
Kaedah 2 dari 2: Melakukan Eksperimen Keapungan Mudah
Langkah 1. Letakkan mangkuk kecil atau cawan di dalam mangkuk yang lebih besar
Dengan beberapa barang keperluan rumah, mudah untuk melihat prinsip daya apung dalam eksperimen! Dalam eksperimen sederhana ini, kita akan menunjukkan bahawa objek terendam mengalami daya apung kerana ia memindahkan isi padu cecair sama dengan isipadu objek terendam. Semasa kita melakukan ini, kita juga akan menunjukkan cara praktikal untuk mencari daya apung objek dengan eksperimen ini. Untuk memulakan, letakkan bekas kecil terbuka, seperti mangkuk atau cawan, di dalam bekas yang lebih besar, seperti mangkuk besar atau baldi.
Langkah 2. Isi bekas kecil hingga penuh
Seterusnya, isi bekas dalaman yang lebih kecil dengan air. Anda mahu air setinggi bekas tanpa tumpah. Hati-hati di sini! Sekiranya anda menumpahkan air, kosongkan bekas yang lebih besar sebelum mencuba lagi.
- Untuk tujuan eksperimen ini, adalah wajar untuk menganggap bahawa air mempunyai ketumpatan am 1000 kilogram / meter3. Kecuali anda menggunakan air laut atau cecair yang sama sekali berbeza, kebanyakan jenis air mempunyai ketumpatan yang hampir sama dengan nilai rujukan ini sehingga perbezaan kecil tidak akan mengubah hasil kami.
- Sekiranya anda mengalami titisan mata, ini sangat berguna untuk menaikkan paras air dalam bekas kecil.
Langkah 3. Tenggelamkan objek kecil
Seterusnya, cari objek kecil yang akan masuk ke dalam bekas kecil dan tidak akan rosak oleh air. Cari jisim objek ini dalam kilogram (anda mungkin mahu menggunakan skala atau keseimbangan yang boleh mengambil gram dan menukarnya menjadi kilogram). Kemudian, tanpa jari anda basah, perlahan tetapi pasti, celupkan objek ke dalam air sehingga ia mula terapung atau anda boleh memegangnya sedikit dan kemudian lepaskan. Anda akan melihat bahawa sebahagian air di dalam bekas kecil akan tumpah ke bekas luar.
Untuk tujuan contoh kita, anggaplah kita mencelupkan kereta mainan dengan jisim 0,05 kilogram ke dalam bekas kecil. Kita tidak perlu mengetahui jumlah kereta ini untuk mengira daya tarikannya kerana kita akan melihatnya pada langkah seterusnya
Langkah 4. Kumpulkan dan hitung air yang tumpah
Apabila anda merendam objek di dalam air, benda tersebut akan menggantikan sebahagian air - jika tidak, tidak akan ada tempat untuk meletakkan objek di dalam air. Apabila objek mendorong air keluar, air mendorong ke belakang, mewujudkan daya apung. Ambil air yang tumpah dari bekas kecil dan tuangkan ke dalam cawan pengukur kecil. Isi padu air dalam cawan pengukur sama dengan isipadu objek yang terendam.
Dengan kata lain, jika objek anda terapung, isipadu air yang keluar akan sama dengan isi objek yang terendam di bawah permukaan air. Sekiranya objek anda tenggelam, isipadu air yang keluar adalah sama dengan jumlah isi objek
Langkah 5. Hitung jisim air yang tumpah
Oleh kerana anda mengetahui ketumpatan air dan anda dapat mengukur isipadu air yang tumpah di dalam cawan penyukat, anda dapat mengetahui jisimnya. Tukar isipadu kepada meter3 (alat penukaran dalam talian, seperti ini, dapat membantu) dan darab dengan ketumpatan air (1,000 kilogram / meter3).
Dalam contoh kita, anggap kereta mainan kita tenggelam ke dalam bekas kecil dan bergerak kira-kira dua sudu (0,0003 meter)3). Untuk mengetahui jisim air kita, kita akan mengalikannya dengan ketumpatannya: 1,000 kilogram / meter3 × 0.0003 meter3 = 0.03 kilogram.
Langkah 6. Bandingkan jisim air yang tumpah dengan jisim objek
Sekarang setelah anda mengetahui jisim objek yang anda tenggelam di dalam air dan jisim air yang telah tumpah, bandingkan mereka untuk melihat jisim mana yang lebih besar. Sekiranya jisim objek yang terendam dalam bekas kecil lebih besar daripada air yang tumpah, objek itu akan tenggelam. Sebaliknya, jika jisim air yang tumpah lebih besar, objek itu akan terapung. Ini adalah prinsip daya apung dalam eksperimen - agar objek melayang, ia mesti mengganti sejumlah air dengan jisim lebih besar daripada jisim objek itu sendiri.
- Oleh itu, objek dengan jisim rendah tetapi isipadu besar adalah jenis objek yang terapung dengan paling mudah. Harta ini bermaksud objek berongga terapung dengan sangat mudah. Bayangkan kanu - kanu terapung dengan baik kerana berongga di dalamnya, sehingga dapat menggerakkan banyak air tanpa harus mempunyai jisim yang besar. Sekiranya kanu tidak berongga (padat), kanu tidak akan terapung dengan betul.
- Dalam contoh kita, kereta mempunyai jisim yang lebih besar (0,05 kilogram) daripada air yang tumpah (0,03 kilogram). Ini sesuai dengan apa yang kita amati: kereta tenggelam.
