Matek érettségi

Felhajtóerő: kiszorított térfogat és folyadéksűrűség

A felhajtóerőt a kiszorított folyadék térfogata határozza meg. Egy 3 literes zárt test példáján számítjuk a merülést, a sűrűségváltást és a süllyedés feltételét.

Dajka Gábor3 perc olvasás

A felhajtóerő a kiszorított folyadék súlyával egyenlő: F_f = ρgV_kiszorított. Részben bemerülő testnél a képletbe a folyadék alatti, kiszorító térfogat kerül. A teljes külső térfogat akkor szerepelhet benne, ha a test teljesen elmerült, vagy a maximális felhajtóerőt vizsgálod.

Szabadon úszó test nyugalmi egyensúlyában a felhajtóerő megegyezik a nehézségi erővel. Ebből ρgV_merült = mg, majd V_merült = m/ρ. A g kiesik az arányból, de az erők newtonban számított értékéhez továbbra is szükséges.

Egy merev, zárt test úszása

Saját szemléltető példánk tömege 1,8 kg, teljes zárt külső térfogata 3 liter. A folyadék sűrűségét 1000 kg/m³-nek, a nehézségi gyorsulást 9,81 m/s²-nek vesszük. Ez a sűrűség vízre használható oktatási közelítés; a számításhoz most rögzített bemenet.

A 3 liter 0,003 m³. A test nehézségi ereje 1,8 × 9,81 = 17,658 N. Teljes bemerülésnél a felhajtóerő 1000 × 9,81 × 0,003 = 29,43 N lenne, tehát nagyobb a nehézségi erőnél.

A felszíni egyensúlyhoz szükséges merült térfogat 1,8/1000 = 0,0018 m³ = 1,8 liter. Ez a teljes 3 liter 60%-a. A fennmaradó 40% térfogat a folyadék szintje fölé kerül az ideális modellben.

A merült térfogattal visszaellenőrizve F_f = 1000 × 9,81 × 0,0018 = 17,658 N, pontosan a nehézségi erő. Archimédész törvényét és az úszási hányad kapcsolatát az OpenStax felhajtóerőről szóló fejezete vezeti le.

A térfogathányad nem mindig magassághányad

A 60% bemerült térfogatból általános alakú testnél nem következik, hogy a magasság 60%-a van a víz alatt. Ez például állandó vízszintes keresztmetszetű, függőleges falú hasábnál teljesül. Gömbnél vagy változó keresztmetszetű testnél a térfogat és a merülési mélység kapcsolata más.

A test átlagos sűrűsége a példában 1,8/0,003 = 600 kg/m³. A merült térfogathányad ugyanígy 600/1000 = 0,60. Üreges, zárt testnél az átlagos sűrűséghez a teljes tömeget és a folyadékot ténylegesen kiszorító külső térfogatot használd, ne csupán a fal anyagának sűrűségét.

Más folyadékban más merülés adódik

Változtassuk a feltételezett folyadéksűrűséget 800 kg/m³-re, a testet hagyjuk változatlanul. A szükséges kiszorított térfogat 1,8/800 = 0,00225 m³ = 2,25 liter, a merült hányad pedig 2,25/3 = 75%.

A kisebb sűrűségű folyadékból nagyobb térfogatot kell kiszorítani ugyanakkora felhajtóerőhöz. A 800 kg/m³ itt választott szemléltető adat, nem egy konkrét olaj mindenkori sűrűsége. Valós folyadéknál a tényleges összetételhez és hőmérséklethez tartozó adatot használd.

Mikor nem lehetséges felszíni úszás?

Az eredeti, 1000 kg/m³-es folyadékban maradjon 3 liter a térfogat, de a tömeg legyen 3,3 kg. Az egyensúlyhoz 3,3 liter kiszorítása kellene, miközben a test legfeljebb 3 litert szorít ki.

A nehézségi erő 3,3 × 9,81 = 32,373 N, a teljes bemerüléshez tartozó felhajtóerő továbbra is 29,43 N. A különbség 2,943 N lefelé. Külső megtámasztás nélkül a test a modellben süllyed; ebből az erőből önmagában nem kapjuk meg a végső süllyedési sebességet.

Azonos átlagos test- és folyadéksűrűségnél teljes bemerülésben semleges felhajtóerő-egyenleg adódik. Ez a feltétel a fordulással szembeni stabilitást nem vizsgálja.

A felhajtóerő-kalkulátor a teljes zárt külső térfogatot kéri literben. Az első példához 1,8 kg-ot és 3 litert írj be; a merült 1,8 litert az eszköz számolja ki. A modell merev, zárt testet és állandó folyadéksűrűséget feltételez. Beázást, összenyomódást, borulást és biztonságos hajóterhelést nem állapít meg, ezért az úszási hányad ilyen döntésekhez önmagában kevés.

További cikkek

Kapcsolódó olvasnivalók

Gyorskereső

Kalkulátorok és útmutatók keresése

↑↓ választásEnter megnyitásEsc bezárás