Pdf downloaden
Pdf downloaden
De opwaartse kracht is de kracht tegenovergesteld aan de zwaartekracht op objecten in een vloeistof. Wanneer een object in een vloeistof wordt geplaatst, duwt het gewicht van het object naar beneden op de vloeistof (vloeistof of gas) terwijl een opwaartse kracht omhoog duwt tegen het object, tegen de zwaartekracht in. In het algemeen kan deze opwaartse kracht worden berekend met de vergelijking F b = V s × D × g , waarbij F b de opwaartse kracht is, V s het volume van het ondergedompelde deel van het object, D de dichtheid van de vloeistof waar het object in is ondergedompeld en g de zwaartekracht. Om de opwaartse kracht van een object te berekenen, kun je hieronder verder lezen bij Stap 1.
Stappen
-
Bepaal het volume van het ondergedompelde deel van het object. De opwaartse kracht op een voorwerp is recht evenredig met het volume van het object dat is ondergedompeld. Met andere woorden, hoe meer van een object is ondergedompeld, hoe groter de opwaartse kracht die erop inwerkt. Dit betekent dat zelfs objecten die in vloeistof zinken een opwaartse kracht hebben die hen naar boven duwt. Voor het berekenen van de opwaartse kracht op een object is je eerste stap meestal om het volume van het object dat is ondergedompeld in een vloeistof te bepalen. Voor de vergelijking van de opwaartse kracht, dient deze waarde in kubieke meter (m 3 ) te worden aangeduid.
- Voor objecten die volledig zijn ondergedompeld in de vloeistof is het watervolume gelijk aan het volume van het object zelf. Voor objecten die in een vloeistof drijven wordt alleen het volume onder het vloeistofoppervlak meegenomen.
- Als voorbeeld: laten we zeggen dat we de opwaartse kracht willen weten van een rubberen bal die in water drijft. Als de bal een perfecte bol is met een diameter van 1 meter (3.3 ft) en precies halverwege de bal in het water drijft, dan kunnen we het volume van het deel onder water vinden door het bepalen van het volume van de hele bal, waarna we er de helft van nemen. Aangezien het volume van een bol gelijk is aan (4/3)π(radius) 3 , weten we dat het volume van de bal gelijk is aan (4/3)π(0.5) 3 = 0,524 m 3 . 0,524/2 = 0,262 m 3 onder water .
-
Bepaal de dichtheid van de vloeistof. De volgende stap in het proces van het vinden van de opwaartse kracht is het definiëren van de dichtheid (in kg/meter 3 ) van de vloeistof waarin het object is ondergedompeld. Dichtheid is een meetwaarde voor het gewicht van een object of stof ten opzichte van het volume. Bij twee objecten van gelijk volume zal het object met de hogere dichtheid meer wegen. Als regel geldt dat hoe hoger de dichtheid van de vloeistof waar een object in wordt ondergedompeld, hoe groter de opwaartse kracht. Bij vloeistoffen is het over het algemeen het gemakkelijkst om de dichtheid te bepalen door dit gewoon in het binas (of een ander naslagwerk) op te zoeken.
- In ons voorbeeld drijft de bal in het water. Na raadplegen van een naslagwerk, weten we dat water een dichtheid heeft van ongeveer 1.000 kg/m 3 .
- De dichtheid van veel andere gangbare vloeistoffen wordt vermeld in het binas (en andere naslagwerken). Een dergelijke lijst kun je raadplegen via deze website .
-
Bepaal de zwaartekracht (of een andere neerwaartse kracht). Of een object nu zinkt of drijft in een vloeistof, het is altijd onderhevig aan de zwaartekracht. In de echte wereld is deze constante neerwaartse kracht gelijk aan 9,81 Newton/kg . Echter, in situaties waarin ook andere krachten, zoals de middelpuntvliedende kracht, op de vloeistof en het object dat erin is ondergedompeld werken, moet hiermee ook rekening worden gehouden bij het bepalen van de totale 'neerwaartse' kracht voor het gehele systeem.
- In ons voorbeeld kunnen we, als we te maken hebben met een eenvoudig statisch systeem, aannemen dat alleen de enige neerwaartse kracht op de vloeistof en het ondergedompelde object de standaard zwaartekracht is: 9,81 Newton/kg .
- Echter, wat als onze bal in een emmer water drijft die met grote snelheid in een horizontale cirkel wordt rondgeslingerd? In dit geval (ervan uitgaande dat de emmer snel genoeg wordt rondgedraaid, om ervoor te zorgen dat zowel het water als de bal er niet uitvallen), kan de 'neerwaartse' kracht in deze situatie worden afgeleid van de middelpuntvliedende kracht gemaakt door het zwaaien met de emmer, en niet van de zwaartekracht.
-
Vermenigvuldig volume × dichtheid × zwaartkracht. Zijn de waarden voor het volume van het object (in m 3 ), de dichtheid van de vloeistof (in kg/m 3 ) en de zwaartekracht (of de neerwaartse kracht in het systeem) gegeven, dan is het bepalen van de opwaartse kracht eenvoudig. Vermenigvuldig gewoon deze drie waarden om de opwaartse kracht in Newton te bepalen.
- Laten we onze voorbeeld probleem oplossen door het invullen van deze waarden in de vergelijking F b = V s × D × g. F b = 0,262 m 3 × 1,000 kg/m 3 × 9,81 Newton/kg = 2,570 Newton .
-
Ga na of je object drijft (of in het water zweeft) door de opwaartse kracht te vergelijken met de zwaartekracht. Met behulp van de vergelijking voor de opwaartse kracht, is het gemakkelijk om de kracht te vinden die een object omhoog duwt uit de vloeistof waarin het is ondergedompeld. Met een beetje extra werk is het echter ook mogelijk om te bepalen of het object zal drijven of zinken. Bepaald hiertoe de opwaartse kracht op het volledige object (met andere woorden, neem het hele volume als V s ) en bepaal vervolgens de zwaartekracht die het object naar beneden duwt, met de vergelijking G = (massa van object) (9,81 m/s 2 ). Als de opwaartse kracht groter is dan de zwaartekracht, dan zal het object drijven. Aan de andere kant zal het zinken, als de zwaartekracht groter is. Zijn ze gelijk, dan kun je zeggen dat het object blijft 'zweven' in de vloeistof.
- Bijvoorbeeld, laten we zeggen dat we willen weten of een cilindrisch houten vat van 20 kilogram en een diameter van 0,75 m en een hoogte van 1,25 m zal blijven drijven in water. Dit vergt meerdere stappen:
- We bepalen het volume met de formule voor het volume van een cilinder, V = π(straal) 2 (hoogte). V = π(0,375) 2 (1,25) = 0,55 meters 3 .
- Vervolgens kunnen we de opwaartse kracht op het vat oplossen (uitgaande van de standaard zwaartekracht en water met gewone dichtheid). 0,55 m 3 × 1000 kg/m 3 × 9,81 newton/kilogram = 5.395,5 N .
- Nu moeten we de zwaartekracht op het vat bepalen. G = (20 kg) (9,81 m/s 2 ) = 196,2 N . Dit is veel minder dan de opwaartse kracht, en dus zal het vat op het water blijven drijven.
- Bijvoorbeeld, laten we zeggen dat we willen weten of een cilindrisch houten vat van 20 kilogram en een diameter van 0,75 m en een hoogte van 1,25 m zal blijven drijven in water. Dit vergt meerdere stappen:
-
Gebruik dezelfde aanpak als die voor een vloeistof bij een gas. Bij het uitwerken van vragen over opwaartse kracht, mag je niet vergeten dat de vloeistof waarin het object wordt ondergedompeld niet per se een vloeistof hoeft te zijn. Gassen zijn in principe ook vloeistoffen, en hoewel ze een zeer lage dichtheid hebben in vergelijking met andere stoffen, kunnen ze nog steeds het gewicht van bepaalde objecten ondersteunen die erin zweven. Een eenvoudige heliumballon is hiervan duidelijk bewijsmateriaal. Omdat het gas in de ballon minder dicht is dan de vloeistof eromheen (gewone lucht), zweeft het!Advertentie
-
Plaats een kommetje of kopje binnen een grotere. Met een paar huishoudelijke artikelen is het gemakkelijk om de principes van opwaartse kracht in actie te zien! In dit eenvoudige experiment, zullen we laten zien dat een ondergedompeld object opwaartse kracht ervaart, omdat het een hoeveelheid vloeistof verplaatst dat gelijk is aan het volume van het ondergedompelde object. Terwijl we dit doen, zullen wij ook laten zien hoe je op een praktische manier de opwaartse kracht van een object kunt vinden met dit experiment. Om te beginnen plaats je een kleine open container, zoals een kom of een kopje, binnen een grotere container, zoals een grote kom of een emmer.
-
Vul de binnenste container tot aan de rand. Vul nu de kleine binnenste container met water. Zorg dat je het tot de rand vult, zonder te morsen. Wees voorzichtig! Als je water morst, moet je de grotere container eerst leegmaken voor je het opnieuw probeert.
- Voor het doel van dit experiment is het veilig te veronderstellen dat water een standaarddichtheid heeft van 1.000 kg/m 3 . Tenzij je gebruikmaakt van zout water of een volledig andere vloeistof, zullen de meeste soorten water een dichtheid hebben die genoeg bij deze referentiewaarde in de buurt ligt, zodat een klein verschil niets aan onze resultaten zal veranderen.
- Heb je een pipet, dan kan dit zeer handig zijn voor de juist herverdeling van het water in de binnenste container.
-
Dompel een klein voorwerp onder in het water. Zoek nu een klein voorwerp dat past in de binnenste container dat tegen water kan. Bepaal de massa van dit object in kilogram (je kunt hiervoor een weegschaal of balans gebruiken die het gewicht in grammen aangeeft, en dit vervolgens converteren naar kilogrammen). Vervolgens doop je dit langzaam en gelijkmatig onder water, totdat het begint te zweven of je het nauwelijks meer vast kunt houden, waarna je het loslaat. Een deel van het water in de binnenste container zal over de rand in de buitenste container terecht komen.
- Ten behoeve van ons voorbeeld stellen we dat we een speelgoedauto met een massa van 0,05 kg in de binnenste container plaatsen. We hoeven het volume van de auto niet te berekenen om de opwaartse kracht te berekenen, zoals we in de volgende stap zullen zien.
-
Doe het overgelopen water in een glas. Wanneer we een object in water onderdompelen, dan wordt een deel van het verplaatst. Zou het dit niet doen, dan zou er geen er geen ruimte voor het object zijn om in het water te zakken. Wanneer het water door het object wordt weggeduwd, dan duwt het water terug, resulterend in opwaartse kracht. Neem het water dat in de buitenste container is gelopen en giet het in een kleine maatbeker. De hoeveelheid water in de maatbeker zou ongeveer gelijk moeten zijn aan het volume van het ondergedompelde object.
- Met andere woorden, als je object blijft drijven, dan is het volume van het gemorste water gelijk aan het volume van het object dat zich onder het wateroppervlak bevindt. Als het object zinkt, dan zal het volume van het water dat is gemorst, gelijk zijn aan het volume van het gehele object.
-
Bereken het gewicht van het gemorste water. Aangezien je de dichtheid van water weet en het volume van het gemorste water met de maatbeker kunt meten, dan weet je ook de massa. Zet het volume om naar m 3 (hierbij kan een online conversie-tool nuttig zijn) en vermenigvuldig het met de dichtheid van water (1.000 kg/m 3 ).
- We gaan verder met ons voorbeeld: stel dat onze speelgoedauto in de binnenste container is gezonken en ongeveer twee eetlepels water heeft verplaatst (0,00003 m 3 ). Om de massa van het water te vinden, vermenigvuldigen we dit met de dichtheid: 1.000 kg/m 3 × 0,00003 m 3 = 0,03 kg .
-
Vergelijk de massa van het verplaatste water met die van het object. Nu je de massa van zowel het in water ondergedompeld object als die van het verplaatste water weet, kun je beide met elkaar vergelijken om te zien welke groter is. Als de massa van het ondergedompelde voorwerp groter is dan die van het verplaatste water, dan zou het gezonken moeten zijn. Aan de andere kant, als de massa van het verplaatste water groter is, dan moet het object hebben gedreven. Dit is het principe van opwaartse kracht in actie — om als object te blijven drijven, zal het een massa water moeten verplaatsen die groter is dan die van het object zelf.
- Dus, objecten met lage massa maar grote volumes zijn de meest veerkrachtige objecttypen. Deze eigenschap betekent dat holle objecten een sterke opwaartse kracht ervaren. Denk aan een kano — Die drijft goed omdat hij hol is, dus kan een kano een heleboel water verplaatsen zonder een zeer hoge massa. Als kano's niet hol zouden zijn, dan zouden ze niet erg goed blijven drijven.
- In ons voorbeeld heeft de auto een grotere massa (0,05 kg) dan het verplaatste water (0,03 kg). Dit is in lijn met wat we hebben waargenomen: de auto zonk.
Advertentie
Tips
- Gebruik een weegschaal of balans die op nul kan worden ingesteld na elke meting, voor nauwkeurige metingen.
Advertentie
Benodigdheden
- Klein kopje of kom
- Grotere kom of emmer
- Kleine object voor in het water (zoals een tennisbal)
- Maatbeker
Bronnen
- http://www.howstuffworks.com/buoyancy-info.htm
- http://www.howstuffworks.com/science-vs-myth/everyday-myths/10-scientific-laws-theories7.htm
- http://www.howstuffworks.com/outdoor-activities/water-sports/sailboat2.htm
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/class/phscilab/dens.html
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mass.html#wgt
- http://www.pasco.com/file_downloads/experiments/pdf-files/glx/physics/29-Buoyant-force-SV.pdf
- http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas/Phys_p074.shtml
- http://en.wikipedia.org/wiki/Buoyancy#Archimedes.27_principle
Advertentie
Meld je aan voor de gratis nieuwsbrief van wikiHow!
Je vindt dan elke week handige handleidingen in je inbox.
Meld me aan!
