fizikzauglom

เกรด 7 · แรงพยุงและการลอยตัว

การลอยของวัตถุ เรือ และบอลลูน

การจม การลอยขึ้น สมดุล และความหนาแน่นเฉลี่ย

20 นาที5 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ตะปูเหล็กจม แต่เรือเหล็กลอยน้ำ ทั้งสองเป็นไปตามหลักของอาร์คิมีดีสเหมือนกัน การเปรียบเทียบแรงเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อวัสดุเดิมกลายเป็นตัวเรือกลวงขนาดใหญ่?

ตะปูเหล็กเรือเหล็กจมลงอากาศลอยเหล็กเหมือนกัน แต่ผลต่างกัน
ตะปูกับตัวเรือทำจากเหล็กชนิดเดียวกัน แต่ตะปูจมและเรือลอย ต้องคิดมวลและปริมาตรทั้งลำ รวมอากาศภายในด้วย

เปรียบเทียบแรงสองแรง

จับวัตถุไว้ในของเหลวแล้วปล่อยจากหยุดนิ่ง แรงโน้มถ่วง mg ดึงลง ส่วนแรงพยุง FА ดันขึ้น ถ้า FА > mg แรงที่ไม่สมดุลชี้ขึ้น วัตถุเริ่มลอยขึ้น ถ้า FА < mg วัตถุเริ่มจมลง ถ้าแรงเท่ากัน วัตถุอาจอยู่นิ่งต่อไป ในที่นี้คิดเพียงสองแรงนี้ หากมีเชือก สิ่งรองรับ กระแสของเหลวที่มีผลมาก หรือแรงต้านการเคลื่อนที่ ต้องเพิ่มแรงเหล่านั้นในแผนภาพ

ปล่อยจากหยุดนิ่งจมลงลอยขึ้นFАmgFАmg
วัตถุปริมาตรเท่ากันจมทั้งหมดในของเหลวเดียวกันและถูกปล่อยจากหยุดนิ่ง FА จึงเท่ากัน ด้านซ้ายมวลมากกว่าและ mg > FА ด้านขวามวลน้อยกว่าและ mg < FА วาดแรงที่จุดเดียวของแต่ละวัตถุ โดยไม่พิจารณาการหมุน

ความหนาแน่นเฉลี่ยของวัตถุทั้งหมด

ตัดเหล็กเป็นลูกบาศก์ตัน แล้วใช้เหล็กมวลเท่ากันทำกล่องปิดสนิท มวลแทบเท่าเดิมแต่ปริมาตรภายนอกมากขึ้น กล่องจึงแทนที่น้ำได้มากกว่า ความหนาแน่นเฉลี่ย ρт = m/Vвнешний เปรียบเทียบมวลรวมกับปริมาตรภายนอกซึ่งรวมโพรงปิด มีหน่วย kg/m³ มวลเรือต้องรวมตัวเรือ อากาศ อุปกรณ์ และสินค้า ความหนาแน่นของเหล็กอย่างเดียวจึงอธิบายเรือทั้งลำไม่ได้

ต้องนับอะไรรวมกันของบรรทุกอากาศภายในเหล็กρт = มวลรวม : ปริมาตรภายนอกรวมตัวเรือ อากาศ และของบรรทุกρ ของเรือทั้งลำ < ρ ของเหล็ก
ความหนาแน่นเฉลี่ยใช้มวลรวมตัวเรือและของบรรทุกหารด้วยปริมาตรภายนอกซึ่งรวมอากาศที่อยู่ภายในด้วย ความหนาแน่นเฉลี่ยของเรือจึงน้อยกว่าของเหล็กเพียงอย่างเดียว

ความหนาแน่นบอกการเริ่มเคลื่อนที่

เมื่อจมทั้งหมด FА = ρжgV และ mg = ρтVg ทั้งสองมี g และปริมาตรภายนอกที่แทนที่ของเหลว V เท่ากัน การเปรียบเทียบแรงจึงกลายเป็นการเปรียบเทียบความหนาแน่น ถ้า ρт < ρж วัตถุที่ปล่อยจะเริ่มลอยขึ้น ถ้า ρт > ρж จะเริ่มจมลง หากเท่ากัน วัตถุอาจสมดุลในของเหลวได้ เหตุผลนี้สมมติว่าปริมาตรที่เลือกแทนที่ของเหลวจริง โพรงเปิดที่ของเหลวเข้าได้ต้องพิจารณาแยก

เทียบกับความหนาแน่นน้ำρт < ρжลอยขึ้นρт = ρжอยู่นิ่งρт > ρжจมลงปล่อยจากหยุดนิ่ง
ปล่อยวัตถุที่จมทั้งหมดจากหยุดนิ่งในน้ำสม่ำเสมอ หากความหนาแน่นเฉลี่ยน้อยกว่า วัตถุจะเริ่มลอยขึ้น หากมากกว่าจะเริ่มจมลง ความหนาแน่นเท่ากันทำให้อยู่นิ่งในน้ำได้ ลูกศรแสดงการเริ่มเคลื่อนที่หลังปล่อย ไม่ใช่ความเร็วที่มีอยู่ก่อน

เหตุใดจึงหยุดลอยขึ้น

ถ้าวัตถุเบาลอยขึ้น ทำไมจึงไม่บินพ้นน้ำไป? เมื่อพ้นผิว ปริมาตรส่วนที่จมลดลง FА จึงลดลงจน FА = Fтяж นี่คือเงื่อนไขการลอยอยู่นิ่ง ถ้าจมลึกเกินไป แรงพยุงจะเพิ่ม ถ้าจมน้อยเกินไป แรงพยุงจะลด หลังการสั่นที่อาจเกิดขึ้นค่อย ๆ ลดลง วัตถุจะอยู่ที่ตำแหน่งสมดุล การที่แรงเท่ากันชั่วขณะระหว่างเคลื่อนที่ไม่ได้หมายความว่าวัตถุหยุดแล้ว

FАmgFА = mg
แท่งวัตถุลอยอยู่นิ่งโดยจมบางส่วน FА ขึ้นเท่ากับ mg ลง วาดแรงทั้งสองที่จุดเดียวเพื่อเปรียบเทียบขนาดและทิศ โดยไม่พิจารณาการหมุน ยิ่งความหนาแน่นเฉลี่ยแท่งวัตถุน้อย สัดส่วนที่จมยิ่งน้อย

เรือรับน้ำหนักบรรทุกอย่างไร

ใส่ของลงในเรือที่ลอยอยู่นิ่ง แรงโน้มถ่วงเพิ่มขึ้น แรงพยุงเดิมจึงไม่พอ เรือจมลึกขึ้นและแทนที่น้ำมากขึ้นจนแรงสมดุลอีกครั้ง ตัวเรือกลวงช่วยให้แทนที่น้ำได้มากโดยมวลรวมไม่มากเกินไป แต่ระยะที่จมเพิ่มได้มีขีดจำกัด หากน้ำเริ่มเข้าเรือ การคำนวณจากตัวเรือแห้งเดิมจะใช้ไม่ได้ เพราะทั้งมวลระบบและปริมาตรที่กันน้ำไว้ภายนอกเปลี่ยนไป

อากาศอากาศไม่บรรทุกบรรทุกบรรทุกมากขึ้น Vпогр มากขึ้น
ตัวเรือกลวงลำเดิมก่อนและหลังบรรทุก ทั้งสองกรณีเรือลอยอยู่นิ่ง แต่ของบรรทุกเพิ่มมวลรวม ด้านขวาตัวเรือจึงจมลึกกว่าและแทนที่น้ำมากกว่า น้ำหนักน้ำนี้สมดุลกับเรือรวมของบรรทุก ขนาดตัวเรือและระดับน้ำคงเดิม

บอลลูน

ในอากาศ แรงพยุงต้องรองรับทุกส่วนที่ลอยขึ้น ทั้งแก๊สภายใน ถุงบอลลูน กระเช้า และสิ่งบรรทุก เงื่อนไขเริ่มขึ้นคือ FА มากกว่าแรงโน้มถ่วงรวม แก๊สเบาช่วยลดมวลขณะที่มีปริมาตรมาก ในบอลลูนอากาศร้อน อากาศที่ร้อนขยายตัวและบางส่วนออกทางช่องเปิดด้านล่าง มวลอากาศในถุงที่มีปริมาตรกำหนดจึงลดลง การให้ความร้อนแก่ภาชนะปิดสนิทไม่ได้ลดมวลด้วยตัวมันเอง การลอยขึ้นจึงขึ้นกับโครงสร้างของบอลลูน ไม่ใช่เพียงคำว่า ‘ร้อน’

ทุกส่วนมีแรงโน้มถ่วงแก๊สFА จากอากาศแก๊สถุงบอลลูนกระเช้าของบรรทุกFА > mg; m คือมวลรวมทุกส่วน
เพื่อให้บอลลูนลอยขึ้น แรงพยุงของอากาศต้องมากกว่าแรงโน้มถ่วงรวมของแก๊ส ถุงบอลลูน กระเช้า และสิ่งบรรทุก แก๊สเบาหรือแก๊สร้อนช่วยลดมวลรวมที่ปริมาตรเท่ากัน

แรงกับความเร็วเป็นคนละปริมาณ

โยนวัตถุเบาลงในน้ำ ถ้าแรงพยุงมากกว่าแรงโน้มถ่วง วัตถุต้องเคลื่อนขึ้นทันทีหรือไม่? ช่วงแรกอาจยังเคลื่อนลงแต่ช้าลง เพราะแรงทำให้ความเร็วเปลี่ยน ไม่ได้กำหนดความเร็วใหม่ทุกขณะ จากนั้นทิศการเคลื่อนที่จึงอาจกลับได้ ดังนั้นกฎง่าย ๆ เรื่องจมและลอยขึ้นข้างต้นจึงใช้กับการปล่อยจากหยุดนิ่ง สำหรับวัตถุที่เคลื่อนอยู่แล้ว การเปรียบเทียบแรงบอกทิศการเปลี่ยนแปลงความเร็ว

กำลังเคลื่อนลงอยู่FАmgv ลงFА > mgความเร็วลง ความเร่งขึ้น
วัตถุกำลังเคลื่อนลง แต่ FА มากกว่า mg ขณะนี้แรงลัพธ์และความเร่งชี้ขึ้น อัตราเร็วที่เคลื่อนลงจึงลดลง วาดแรงที่จุดเดียวเพื่อเปรียบเทียบทิศ โดยไม่พิจารณาการหมุน

แท่งวัตถุส่วนใดอยู่ใต้น้ำ?

แท่งวัตถุความหนาแน่นเฉลี่ย 600 kg/m³ ลอยอยู่นิ่งในน้ำความหนาแน่น 1000 kg/m³ จงหาสัดส่วนปริมาตรที่จม

ลอยอยู่นิ่งρт = 600 кг/м³ρводы = 1000 кг/м³ส่วนใดของปริมาตรอยู่ใต้น้ำ?
แท่งวัตถุความหนาแน่นเฉลี่ย 600 kg/m³ ลอยอยู่นิ่งในน้ำความหนาแน่น 1000 kg/m³ ต้องหาสัดส่วนปริมาตรที่จม รูปร่างแท่ง ระดับน้ำ และข้อมูลคงเดิมตลอดการแก้โจทย์

ลองดูตัวอย่าง · 1

เมื่อสมดุลขณะลอย ρводы·g·Vпогр = m·g มวลแท่งวัตถุคือ ρт·Vвесь

ลอยอยู่นิ่ง: FА = mgρт = 600 кг/м³ρводы = 1000 кг/м³ρводы · g · Vпогр = ρт · g · Vвесьตัด g ที่เหมือนกัน
สำหรับแท่งเดิมที่อยู่นิ่ง FА = mg แทนมวลด้วย ρтVвесь และแรงพยุงด้วย ρводыgVпогр ตัด g ที่เท่ากันทั้งสองข้าง เหลือความหนาแน่นกับปริมาตร

ลองดูตัวอย่าง · 2

ตัด g แล้วได้ Vпогр/Vвесь = ρт/ρводы = 600/1000 = 0,6

หารความหนาแน่นρт = 600 кг/м³ρводы = 1000 кг/м³Vпогр / Vвесь = 600 / 1000 = 0,6
อุปกรณ์และข้อมูลคงเดิม อัตราส่วนปริมาตรที่จมต่อปริมาตรทั้งหมดเท่ากับอัตราส่วนความหนาแน่น: 600/1000 = 0,6

ลองดูตัวอย่าง · 3

หกในสิบส่วนของปริมาตรแทนที่น้ำที่มีน้ำหนักเท่ากับแรงโน้มถ่วงของแท่งวัตถุ

0.6 หมายถึงอะไรρт = 600 кг/м³ρводы = 1000 кг/м³0,60,4ปริมาตร 60% อยู่ใต้น้ำปริมาตร 40% อยู่เหนือน้ำ
แท่งสี่เหลี่ยมเดิมมีพื้นที่หน้าตัดคงที่ ความสูง 60% จึงตรงกับปริมาตร 60% ส่วนใต้น้ำคือ 0.6 ของปริมาตร และส่วนเหนือน้ำคือ 0.4 วงเล็บครอบคลุมแต่ละส่วน น้ำที่ถูกแทนที่มีน้ำหนักเท่ากับแท่งวัตถุ

เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า

ปริมาตร 60% อยู่ใต้น้ำ ส่วนนี้แทนที่น้ำที่มีมวลเท่ากับทั้งแท่ง ส่วนปริมาตรอีก 40% อยู่เหนือผิว

ใจความสำคัญ · 1

การลอยขึ้นกับการเปรียบเทียบแรงโน้มถ่วงของทั้งระบบกับแรงพยุง ไม่ใช่ดูเพียงชื่อวัสดุ

ใจความสำคัญ · 2

เมื่อลอยอยู่นิ่ง FА = mg การเพิ่มของบรรทุกต้องแทนที่น้ำมากขึ้น

ใจความสำคัญ · 3

แรงกำหนดการเปลี่ยนแปลงความเร็ว กฎการเริ่มลอยขึ้นจากหยุดนิ่งไม่ได้บอกทิศของการเคลื่อนที่ที่มีอยู่แล้วในทันที

เราจะไปที่ไหนต่อไป?

เมื่อยกของ แรงถ่ายโอนพลังงาน บทถัดไปจะแนะนำงานเชิงกลและกำลัง

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

เงื่อนไขสมดุลขณะลอย

วัตถุลอยอยู่ในสมดุลเมื่อแรงพยุงมีขนาดเท่ากับแรงโน้มถ่วง

ถ้าความหนาแน่นเฉลี่ยของวัตถุน้อยกว่าของเหลว วัตถุจะลอยขึ้นและลอยโดยจมเพียงบางส่วน

การจมและการลอยขึ้น

ถ้ามีเพียงแรงโน้มถ่วงกับแรงพยุงกระทำต่อวัตถุที่ปล่อยจากหยุดนิ่ง วัตถุจะเริ่มจมเมื่อแรงโน้มถ่วงมากกว่า และเริ่มลอยขึ้นเมื่อแรงพยุงมากกว่า

การเปรียบเทียบแรงบอกการเปลี่ยนแปลงความเร็ว วัตถุที่เคลื่อนอยู่แล้วอาจเคลื่อนสวนแรงลัพธ์ได้ชั่วระยะหนึ่ง การปรับน้ำหนักถ่วงหรือปริมาตรถุงทำให้ความหนาแน่นเฉลี่ยเปลี่ยน จึงควบคุมการลอยของยานและบอลลูนได้

เรือและการบินด้วยบอลลูน

เรือกลวงและบอลลูนใช้ปริมาตรที่แทนที่ตัวกลางมากเพื่อให้ได้แรงพยุงตามต้องการ

เรือเหล็กลอยเพราะความหนาแน่นเฉลี่ยของตัวเรือรวมอากาศต่ำ ส่วนบอลลูนลอยขึ้นในบรรยากาศ

ปริมาณทางฟิสิกส์

1 คุณค่า

ความหนาแน่นเฉลี่ยของวัตถุ

\rho_{\text{т}}

อัตราส่วนมวลรวมของวัตถุต่อปริมาตรภายนอก

หน่วย: กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร · \frac{\mathrm{кг}}{\mathrm{м}^3}

สูตรบทเรียน

1 สูตร

สมดุลของวัตถุลอย

F_A = F_{\text{тяж}}

เมื่อลอยอยู่นิ่ง แรงพยุงเท่ากับแรงโน้มถ่วง

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

การลอยและความหนาแน่น

Fₐ = ρжgVпогр; mg = ρтgV; Vпогр/V = min(1, ρт/ρж)

วัตถุสม่ำเสมอในน้ำความหนาแน่น 1000 kg/m³ และ g = 10 m/s² ไม่มีแรงตึงผิว วัตถุที่จมแสดงขณะจมทั้งชิ้นก่อนแตะก้นภาชนะ ไม่ใช่ภาวะสมดุล

ถ้าเพิ่มปริมาตรวัตถุที่มีความหนาแน่นเดิมจาก 2 เป็น 4 L สัดส่วนปริมาตรที่จมจะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

แสดงเวกเตอร์
Fₐmg

ผลการคำนวณ

Vпогр/V
60 %
Fₐ
12 Н
mg
12 Н

ลอย: Fₐ = mg

อธิบายผล

ขณะลอย Fₐ = mg ปริมาตรตัดกันในอัตราส่วนความหนาแน่น เมื่อ ρт > ρж แม้แรงพยุงสูงสุดก็ยังน้อยกว่าแรงโน้มถ่วง

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ