Stuwkracht berekenen: 12 stappen (met afbeeldingen) - Tips

Video: Calculate thrust of the rocket (Don’t make this mistake!)

Inhoud

Stappen
Tips
Benodigde materialen

Stuwkracht is de kracht die in de tegenovergestelde richting van de zwaartekracht werkt en die alle objecten beïnvloedt die in een vloeistof zijn ondergedompeld. Wanneer een object in een vloeistof wordt geplaatst, duwt zijn gewicht de vloeistof (vloeistof of gas), terwijl de opwaartse kracht het object tegen de zwaartekracht in duwt. In algemene termen kan deze kracht worden berekend met behulp van de vergelijking F._B = V_s × D × g, waar F_B is de opwaartse kracht, V_s is het ondergedompelde volume, D is de dichtheid van de vloeistof waarin het object is ondergedompeld en g is de zwaartekracht. Zie stap 1 om aan de slag te gaan om te leren hoe u de stuwkracht van het object kunt bepalen.

Stappen

Methode 1 van 2: De vergelijking van de opwaartse kracht gebruiken

Zoek het volume van het ondergedompelde deel van het object. De opwaartse kracht die op een object inwerkt, is recht evenredig met het volume van het object dat is ondergedompeld. Met andere woorden, hoe steviger het object, hoe groter de opwaartse kracht die erop inwerkt. Dit betekent dat zelfs objecten die in een vloeistof zinken, een kracht hebben die ze omhoog duwt. Om te beginnen met het berekenen van deze intensiteit, is de eerste stap het bepalen van het volume van het object dat is ondergedompeld. Voor de vergelijking moet deze waarde in meters zijn.
- Voor objecten die volledig in de vloeistof zijn ondergedompeld, is het ondergedompelde volume hetzelfde als het object. Voor degenen die op het oppervlak van de vloeistof drijven, wordt alleen rekening gehouden met het volume onder het oppervlak.
- Laten we als voorbeeld zeggen dat we de opwaartse kracht willen vinden die inwerkt op een rubberen bal die in het water drijft. Als de bal een perfecte bol is, met een diameter van één meter, en in tweeën drijft in het water, kunnen we het volume van het ondergedompelde deel vinden door het totale volume van de bol te vinden en te delen door twee. Omdat het volume van de bol wordt gegeven door (4/3) π (straal), is het bekend dat we een resultaat zullen hebben van (4/3) π (0,5) = 0,524 meter. 0,524 / 2 = 0.262 meter onder water.
Zoek de dichtheid van uw vloeistof. De volgende stap in het proces om de opwaartse kracht te vinden, is het bepalen van de dichtheid (in kilogram / meter) waarvan het object is ondergedompeld. Dichtheid is een maat voor een object of het relatieve gewicht van de stof in volume. Gegeven twee objecten van gelijk volume, weegt degene met de hoogste dichtheid het meeste. In de regel geldt dat hoe groter de dichtheid van de vloeistof, hoe groter de opwaartse kracht die deze uitoefent. Met vloeistoffen is het over het algemeen gemakkelijker om de dichtheid te bepalen door naar referentiematerialen te kijken.
- In ons voorbeeld drijft de bal in het water. Als we een academische kracht raadplegen, kunnen we ontdekken dat de dichtheid van water ongeveer is 1000 kilo / meter.
- De dichtheden van andere veel voorkomende vloeistoffen worden vermeld in technische bronnen. Zo'n lijst is hier te vinden.
Zoek de zwaartekracht (of een andere neerwaartse kracht). Of het object nu drijft of helemaal onder water staat, het is altijd onderhevig aan de zwaartekracht. In de echte wereld is deze constante kracht gelijk aan 9,81 Newton / kg. In situaties waarin een andere kracht, zoals de centrifuge, op een vloeistof en het ondergedompelde object inwerkt, moeten deze echter ook worden beschouwd om de totale neerwaartse kracht te bepalen.
- Als we in ons voorbeeld te maken hebben met een gewoon en stationair systeem, kunnen we aannemen dat de enige neerwaartse kracht de hierboven genoemde zwaartekracht is.
- Maar wat als onze bal in een emmer water zou drijven en met grote snelheid in een horizontale cirkel ronddraaide? In dit geval, ervan uitgaande dat de emmer snel genoeg draait om ervoor te zorgen dat zowel het water als de bal niet vallen, zou de neerwaartse kracht in deze situatie afkomstig zijn van de middelpuntvliedende kracht die wordt gecreëerd door de beweging van de emmer, niet door de zwaartekracht van de aarde.
Vermenigvuldig het volume × de dichtheid × de zwaartekracht. Als u waarden heeft voor het volume van uw object (in meters), de dichtheid van uw vloeistof (in ponden / meter) en de zwaartekracht (of de neerwaartse kracht van uw systeem), is het gemakkelijk om de opwaartse kracht te vinden. Vermenigvuldig deze drie hoeveelheden gewoon om de kracht in newton te vinden.
- Laten we ons voorbeeld oplossen door onze waarden in vergelijking F te vervangen_B = V_s × D × g. F._B = 0,262 meter × 1000 kilo / meter × 9,81 newton / kilo = 2570 Newton.
Ontdek of uw object zweeft door het te vergelijken met de zwaartekracht. Met behulp van de vergelijking van de opwaartse kracht is het gemakkelijk om de kracht te vinden die een object uit de vloeistof duwt waarin het is ondergedompeld. Met wat meer werk kun je echter ook bepalen of het object gaat drijven of zinken. Zoek eenvoudig de opwaartse kracht voor het object (met andere woorden, gebruik het volledige volume als V_s) en bepaal vervolgens de zwaartekracht met de vergelijking G = (massa van het object) (9,81 meter / seconde). Als de opwaartse kracht groter is dan die van de zwaartekracht, zal het object drijven. Maar als de zwaartekracht groter is, zal hij zinken. Als ze hetzelfde zijn, wordt het object "neutraal" genoemd.
- Stel dat we willen weten of een 20 kilogram cilindrisch houten vat met een diameter van 0,75 meter en een hoogte van 1,25 meter in het water zal drijven. Dit vereist een paar stappen:
  - We kunnen het volume vinden met de formule V = π (straal) (hoogte). V = π (0,375) (1,25) = 0,55 meter.
  - Daarna kunnen we, uitgaande van de standaardwaarden voor zwaartekracht en waterdichtheid, de opwaartse kracht in het vat bepalen. 0,55 meter × 1000 kilo / meter × 9,81 newton / kilo = 5395,5 Newton.
  - Nu moeten we de zwaartekracht in de loop vinden. G = (20 kg) (9,81 meter / seconde) = 196,2 Newton. Het is veel minder dan de opwaartse kracht, dus de loop zal drijven.
Gebruik dezelfde techniek als uw vloeistof een gas is. Onthoud bij het oplossen van Ripo-problemen dat de vloeistof geen vloeistof hoeft te zijn. Gassen worden ook als vloeibaar beschouwd en ondanks dat ze lagere dichtheden hebben in vergelijking met andere soorten materialen, kunnen ze nog steeds het gewicht van sommige objecten dragen. Een simpele heliumballon is daar het bewijs van. Omdat het gas in de ballon minder dicht is dan de omringende vloeistof, blijft het drijven!

Methode 2 van 2: Een eenvoudig stuwkracht-experiment uitvoeren

Plaats een kleine kop of kom in een grotere kom. Bij sommige huishoudelijke artikelen is het gemakkelijk om de principes van drijfvermogen in actie te zien! In dit eenvoudige experiment zullen we aantonen dat een ondergedompeld object drijfvermogen ervaart, aangezien het een vloeistofvolume verplaatst dat gelijk is aan het volume van het ondergedompelde object. Terwijl we dit doen, laten we ook zien hoe we de drijvende kracht van een experiment kunnen vinden. Plaats om te beginnen een kleine container, zoals een kom of beker, in een grotere container, zoals een grotere kom of emmer.
Vul de container van binnenuit tot aan de rand. Vul vervolgens de grotere container met water. U wilt dat het waterniveau over de rand komt, zonder om te vallen. Doe voorzichtig! Als u water morst, maakt u de grotere container leeg voordat u het opnieuw probeert.
- Voor dit experiment is het veilig om aan te nemen dat water de dichtheid heeft van water met een standaardwaarde van 1000 kilo / meter. Tenzij u zout water of een andere vloeistof gebruikt, hebben de meeste soorten water een dichtheid die dicht bij de referentie ligt.
- Als u een druppelaar heeft, kan het erg handig zijn om het waterniveau in de binnenbak te controleren.
Dompel een klein voorwerp onder. Zoek nu een klein voorwerp dat in de binnenbak past en niet door water wordt beschadigd. Bereken de massa van dit object in kilogrammen (gebruik hiervoor een schaal). Dompel het voorwerp vervolgens, zonder uw vingers nat te maken, onder in water totdat het begint te drijven of u het niet langer kunt vasthouden. U zou moeten zien dat water uit de binnencontainer in de buitencontainer loopt.
- Laten we voor ons voorbeeld zeggen dat we een speelgoedkar met een massa van 0,05 kg in de binnencontainer plaatsen. We hoeven het volume van de auto niet te weten om de stuwkracht te berekenen, zoals we hierna zullen zien.
Verzamel en meet het gemorste water. Wanneer u een object in water dompelt, treedt er verplaatsing van water op; als dat niet het geval was, zou er voor hem geen ruimte zijn om het water in te gaan. Wanneer hij de vloeistof duwt, duwt het water terug, waardoor de stuwkracht ontstaat. Neem het water dat je hebt gemorst en doe het in een maatbeker. Het watervolume moet gelijk zijn aan dat van het ondergedompelde volume.
- Met andere woorden, als uw object drijft, is het volume water dat u morst gelijk aan het volume van het object dat in het water is ondergedompeld. Als uw object zinkt, is het volume water dat het morst gelijk aan het volume van het hele object.
Bereken het gewicht van het gemorste water. Omdat je de dichtheid van het water kent en het gemorste volume kunt meten, kun je de massa vinden. Reken het volume eenvoudig om in meters (een online conversietool, zoals deze, kan handig zijn) en vermenigvuldig met de dichtheid van het water (1000 kilo / meter).
- Laten we in ons voorbeeld zeggen dat onze kar zonk en ongeveer twee eetlepels (0,00003 meter) bewoog.Om de massa van het water te vinden, vermenigvuldigen we het met zijn dichtheid: 1000 kilo / meter × 0,00003 meter = 0,03 kilo.
Vergelijk het verplaatste volume met de massa van het object. Nu je de ondergedompelde massa en de verplaatste massa kent, kun je ze vergelijken om te zien welke groter is. Als de massa van het ondergedompelde object in de binnencontainer groter is dan de verplaatste watermassa, moet het zijn gezonken. Maar als de verplaatste watermassa groter is dan, moet het object hebben gedreven. Dit is het principe van drijfvermogen; om een object te laten drijven, moet het een grotere watermassa verplaatsen dan die van het object.
- Toch zijn objecten met een lagere massa maar grotere volumes de objecten die het meest zweven. Deze eigenschap houdt in dat holle voorwerpen drijven. Denk aan een kano; het drijft omdat het hol is, dus het kan veel water verplaatsen, zonder dat het een grote massa hoeft te hebben. Als kano's solide waren, zouden ze niet goed drijven.
- In ons voorbeeld heeft de auto een massa van 0,05 kg, groter dan het verplaatste water, 0,03 kg. Dit bevestigt ons resultaat: de auto zinkt.