Cómo calcular el empuje

Autor: Roger Morrison
Fecha De Creación: 8 Septiembre 2021
Fecha De Actualización: 9 Mayo 2024
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Cómo calcular el empuje - Consejos
Cómo calcular el empuje - Consejos

Contenido

El empuje es la fuerza que actúa en dirección opuesta a la dirección de la gravedad y que afecta a todos los objetos sumergidos en un fluido. Cuando un objeto se coloca en un líquido, su peso empuja el líquido (líquido o gas), mientras que la fuerza de flotación empuja el objeto hacia arriba, actuando contra la gravedad. En términos generales, esta fuerza se puede calcular mediante la ecuación Fsi = Vs × D × g, donde Fsi es la fuerza de flotación, Vs es el volumen sumergido, D es la densidad del fluido en el que está sumergido el objeto y g es la fuerza de gravedad. Para aprender a determinar el empuje del objeto, consulte el paso 1 para comenzar.

Pasos

Método 1 de 2: uso de la ecuación de la fuerza de flotabilidad

  1. Encuentra el volumen de la parte sumergida del objeto. La fuerza de flotación que actúa sobre un objeto es directamente proporcional al volumen del objeto que está sumergido. En otras palabras, cuanto más sólido es el objeto, mayor es la fuerza de flotación que actúa sobre él. Esto significa que incluso los objetos que se hunden en un líquido tienen una fuerza que los empuja hacia arriba. Para empezar a calcular esta intensidad, el primer paso es determinar el volumen del objeto que está sumergido. Para la ecuación, este valor debe estar en metros.
    • Para los objetos que están completamente sumergidos en el fluido, el volumen sumergido es el mismo que el del objeto. Para aquellos que flotan en la superficie del fluido, solo se considera el volumen debajo de la superficie.
    • Como ejemplo, digamos que queremos encontrar la fuerza de flotación que actúa sobre una pelota de goma que flota en el agua. Si la bola es una esfera perfecta, con un diámetro de un metro, y está flotando por la mitad en el agua, podemos encontrar el volumen de la porción sumergida calculando el volumen total de la esfera y dividiéndolo por dos. Dado que el volumen de la esfera está dado por (4/3) π (radio), se sabe que tendremos un resultado de (4/3) π (0.5) = 0.524 metros. 0,524 / 2 = 0.262 metros sumergido.

  2. Encuentra la densidad de tu fluido. El siguiente paso en el proceso de encontrar la fuerza de flotación es definir la densidad (en kilogramos / metro) de la cual el objeto está sumergido. La densidad es una medida de un objeto o el peso relativo de la sustancia por volumen. Dados dos objetos de igual volumen, el de mayor densidad pesa más. Por regla general, cuanto mayor es la densidad del fluido, mayor es la fuerza de flotación que ejerce. Con los fluidos, generalmente es más fácil determinar la densidad mirando materiales de referencia.
    • En nuestro ejemplo, la pelota flota en el agua. Consultando una fuerza académica, podemos encontrar que la densidad del agua es aproximadamente 1000 kilos / metro.
    • Las densidades de otros fluidos comunes se enumeran en fuentes de ingeniería. Esta lista se puede encontrar aquí.

  3. Encuentra la fuerza de la gravedad (u otra fuerza descendente). Ya sea que el objeto esté flotando o totalmente sumergido, siempre está sujeto a la fuerza de la gravedad. En el mundo real, esta fuerza constante es igual a 9,81 Newtons / kg. Sin embargo, en situaciones en las que otra fuerza, como la centrífuga, actúa sobre un fluido y el objeto sumergido, también deben considerarse para determinar la fuerza total hacia abajo.
    • En nuestro ejemplo, si estamos tratando con un sistema ordinario y estacionario, podemos asumir que la única fuerza que actúa hacia abajo es la fuerza de gravedad mencionada anteriormente.
    • Sin embargo, ¿qué pasaría si nuestra bola estuviera flotando en un balde de agua, girando a gran velocidad en un círculo horizontal? En este caso, asumiendo que el balde gira lo suficientemente rápido para asegurar que tanto el agua como la pelota no caigan, la fuerza descendente en esta situación se derivaría de la fuerza centrífuga creada por el movimiento del balde, no por la gravedad de la tierra.

  4. Multiplica el volumen × densidad × gravedad. Cuando tiene valores para el volumen de su objeto (en metros), la densidad de su fluido (en libras / metro) y la fuerza de gravedad (o la fuerza descendente de su sistema), encontrar la fuerza de flotación es fácil. Simplemente multiplica estas tres cantidades para encontrar la fuerza en newtons.
    • Resolvamos nuestro ejemplo reemplazando nuestros valores en la ecuación Fsi = Vs × D × g. Fsi = 0,262 metros × 1000 kilos / metro × 9,81 newtons / kilo = 2570 Newtons.
  5. Averigüe si su objeto flota comparándolo con la fuerza de la gravedad. Usando la ecuación de la fuerza de flotabilidad, es fácil encontrar la fuerza que empuja un objeto fuera del fluido en el que está sumergido. Sin embargo, con un poco más de trabajo, también puede determinar si el objeto flotará o se hundirá. Simplemente encuentre la fuerza de flotación del objeto (en otras palabras, use todo su volumen como Vs), luego encuentre la fuerza de gravedad con la ecuación G = (masa del objeto) (9.81 metros / segundo). Si la fuerza de flotación es mayor que la de la gravedad, el objeto flotará. Pero si la fuerza de la gravedad es mayor, se hundirá. Si son iguales, se dice que el objeto es "neutral".
    • Por ejemplo, digamos que queremos saber si un barril de madera cilíndrico de 20 kilogramos con un diámetro de 0,75 metros y una altura de 1,25 metros, flotará en el agua. Esto requiere algunos pasos:
      • Podemos encontrar su volumen con la fórmula V = π (radio) (altura). V = π (0.375) (1.25) = 0,55 metros.
      • Después de eso, asumiendo los valores predeterminados para la gravedad y la densidad del agua, podemos determinar la fuerza de flotación en el cañón. 0,55 metros × 1000 kilos / metro × 9,81 newtons / kilo = 5395,5 Newtons.
      • Ahora, necesitamos encontrar la fuerza de gravedad en el cañón. G = (20 kg) (9,81 metros / segundo) = 196,2 Newtons. Es mucho menor que la fuerza de flotación, por lo que el cañón flotará.
  6. Utilice la misma técnica cuando su líquido sea un gas. Al resolver problemas de ripo, recuerde que el fluido no tiene que ser un líquido. Los gases también se consideran fluidos y, a pesar de tener densidades más bajas en comparación con otros tipos de materiales, aún pueden soportar el peso de algunos objetos. Un simple globo de helio es prueba de ello. Dado que el gas en el globo es menos denso que el fluido circundante, ¡flota!

Método 2 de 2: realizar un experimento de empuje simple

  1. Coloque una taza o tazón pequeño en un recipiente más grande. ¡Con algunos artículos para el hogar, es fácil ver los principios de la flotabilidad en acción! En este sencillo experimento, demostraremos que un objeto sumergido experimenta flotabilidad, ya que desplaza un volumen de fluido igual al volumen del objeto sumergido. Mientras hacemos esto, también demostramos cómo encontrar la fuerza de flotación de un experimento. Para comenzar, coloque un recipiente pequeño, como un tazón o taza, en un recipiente más grande, como un tazón o un balde más grande.
  2. Llene el recipiente desde el interior hasta el borde. Luego, llena el recipiente más grande con agua. Desea que el nivel del agua esté por encima del borde, sin volcar. ¡Tenga cuidado! Si derrama agua, vacíe el recipiente más grande antes de volver a intentarlo.
    • Para este experimento, es seguro asumir que el agua tiene la densidad del agua tiene un valor estándar de 1000 kilos / metro. A menos que esté usando agua salada o un líquido diferente, la mayoría de los tipos de agua tienen una densidad cercana a la de referencia.
    • Si tienes un gotero, puede resultar muy útil comprobar el nivel del agua en el recipiente interior.
  3. Sumerge un objeto pequeño. Ahora, busque un objeto pequeño que quepa dentro del recipiente interior y que no se dañe con el agua. Encuentra la masa de este objeto en kilogramos (usa una escala para esto). Luego, sin mojarse los dedos, sumerja el objeto en agua hasta que comience a flotar o ya no pueda sostenerlo. Debería notar que el agua del recipiente interior se derrama en el recipiente exterior.
    • Para los propósitos de nuestro ejemplo, digamos que estamos colocando un carrito de juguete con una masa de 0.05 kg dentro del contenedor interno. No necesitamos conocer el volumen del automóvil para calcular el empuje, como veremos a continuación.
  4. Recoja y mida el agua derramada. Cuando sumerges un objeto en agua, se produce un desplazamiento de agua; si no fuera así, no habría espacio para que él se metiera en el agua. Cuando empuja el líquido, el agua empuja hacia atrás, provocando el empuje. Toma el agua que derramaste y ponla en una taza medidora. El volumen de agua debe ser igual al del volumen sumergido.
    • En otras palabras, si su objeto flota, el volumen de agua que derrame será igual al volumen del objeto sumergido en el agua. Si su objeto se hunde, el volumen de agua que derrama es igual al volumen de todo el objeto.
  5. Calcula el peso del agua derramada. Como conoce la densidad del agua y puede medir el volumen que se ha derramado, puede encontrar la masa. Simplemente convierta el volumen a metros (una herramienta de conversión en línea, como esta, puede ser útil) y multiplíquelo por la densidad del agua (1000 kilos / metro).
    • En nuestro ejemplo, digamos que nuestro carrito se hundió y se movió unas dos cucharadas (0,00003 metros).Para encontrar la masa del agua, la multiplicamos por su densidad: 1000 kilos / metro × 0,00003 metros = 0,03 kilos.
  6. Compare el volumen desplazado con la masa del objeto. Ahora que conoce la masa sumergida y la masa desplazada, compárelas para ver cuál es más grande. Si la masa del objeto sumergido en el recipiente interior es mayor que la masa de agua desplazada, debe haberse hundido. Pero si la masa de agua desplazada es mayor que, el objeto debe haber flotado. Este es el principio de flotabilidad; para que un objeto flote, tiene que desplazar una masa de agua mayor que la del objeto.
    • Aún así, los objetos con masas más bajas pero volúmenes más grandes son los objetos que más flotan. Esta propiedad significa que los objetos huecos flotan. Piense en una canoa; flota porque es hueco, por lo que puede mover mucha agua, sin necesidad de tener una gran masa. Si las canoas fueran sólidas, no flotarían bien.
    • En nuestro ejemplo, el automóvil tiene una masa de 0.05 kg, mayor que el agua desplazada, 0.03 kg. Esto confirma nuestro resultado: el coche se hunde.

Consejos

  • Utilice una escala que se pueda poner a cero después de cada lectura para ayudar a obtener mediciones precisas.

Materiales necesarios

  • Taza o tazón pequeño
  • Tazón o balde grande
  • Objeto pequeño para sumergir (como una pelota de goma)
  • Taza medidora

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