Công thức tính trọng lượng riêng đẩy nổi

Lực nổi là lực tác động lên một vật bị nhấn chìm trong lưu chất theo hướng ngược lại với trọng lực. Khi đặt một vật trong lưu chất, trọng lượng vật đó sẽ đẩy xuống lưu chất (chất lỏng hay chất khí) trong khi lực nổi đẩy vật đó lên trên, theo hướng ngược lại trọng lực. Nói chung, lực nổi này có thể được tính bằng phương trình Fb = Vs × D × g, trong đó Fb là lực nổi, Vs là thể tích phần bị nhấn chìm, D là khối lượng riêng của lưu chất bao quanh vật, và g là lực hấp dẫn. Muốn học cách xác định lực nổi của vật, bạn hãy bắt đầu xem Bước 1 dưới dây.

1. 1

   Tìm thể tích phần bị nhấn chìm của vật thể. Lực nổi tác động lên vật có mối tương quan trực tiếp với phần thể tích bị nhấn chìm của vật đó. Nói một cách khác, phần chìm của vật rắn càng lớn thì lực nổi tác động lên vật đó càng mạnh. Nghĩa là cho dù vật bị chìm hoàn toàn trong chất lỏng thì vẫn có lực nổi tác động lên nó. Để bắt đầu tính lực nổi tác động lên vật, bước đầu tiên thường là xác định phần thể tích bị nhấm chìm trong lưu chất. Trong phương trình tính lực nổi, giá trị này phải được viết theo m3.

   • Đối với vật bị chìm hoàn toàn trong lưu chất, thể tích bị chìm sẽ bằng với thể tích của chính vật đó. Đối với vật nổi trên bề mặt lưu chất, ta chỉ xem xét phần thể tích nằm dưới bề mặt lưu chất.
   • Ví dụ, giả sử chúng ta muốn tìm lực nổi tác động lên quả bóng cao su nổi trong nước. Nếu quả bóng là hình cầu hoàn hảo có đường kính là 1 m và nó nổi với chính xác một nửa bị chìm dưới nước, chúng ta có thể tìm thể tích phần chìm bằng cách tính thể tích của cả quả bóng rồi chia đôi. Vì thể tích của hình cầu là (4/3)π(bán kính)3, nên chúng ta có thể tích của quả bóng là (4/3)π(0,5)3 = 0.524 m3. 0,524/2 = 0,262 m3 bị chìm.

2. 2

   Tìm khối lượng riêng của lưu chất. Bước tiếp theo trong quá trình tìm lực nổi là xác định khối lượng riêng (theo kg/m3) của chất lỏng bao quanh vật. Khối lượng riêng là đại lượng đo bằng tỷ số giữa khối lượng vật hay chất với thể tích tương ứng của nó. Với hai vật có thể tích bằng nhau, vật nào có khối lượng riêng cao hơn thì sẽ nặng hơn. Nguyên tắc chung là lưu chất có khối lượng riêng càng cao thì lực nổi tác dụng lên vật thể chìm trong đó càng lớn. Với lưu chất, thông thường cách dễ nhất để xác định khối lượng riêng là tra trong tài liệu tham khảo.

   • Trong ví dụ trên, quả bóng nổi trong nước. Tham khảo tài liệu học tập cho chúng ta biết nước có khối lượng riêng là 1.000 kg/m3.
   • Khối lượng riêng của nhiều lưu chất phổ biến được cho trong các tài liệu kỹ thuật. Bạn có thể tìm thấy danh sách này ở đây.

3. 3

   Tìm lực hấp dẫn (hay lực khác hướng xuống). Cho dù một vật bị chìm hay nổi trong lưu chất, nó luôn chịu tác động của lực hấp dẫn. Trên thực tế, hằng số lực hướng xuống này bằng khoảng 9,81 Newton/kilogam. Tuy nhiên, trong các trường hợp mà có lực khác tác động lên lưu chất và vật thể chìm trong đó như lực hướng tâm, thì chúng ta cũng phải xem xét lực này khi tính tổng lực “hướng xuống” cho toàn hệ thống.

   • Trong ví dụ trên, nếu chúng ta có hệ tĩnh thông thường thì có thể giả sử rằng lực hướng xuống duy nhất tác động lên lưu chất và vật thể là lực hấp dẫn tiêu chuẩn — 9,81 Newton/kilogam.

4. 4

   Nhân thể tích với khối lượng riêng và trọng lực. Khi bạn có các giá trị của thể tích vật (theo m3), khối lượng riêng lưu chất (theo kg/m3), và trọng lực (hay lực hướng xuống của hệ Newton/Kilogram), việc tìm lực nổi trở nên dễ dàng. Đơn giản là nhân ba đại lượng này để tìm lực nổi theo đơn vị Newton.

   • Hãy giải bài toán ví dụ bằng cách thay các giá trị vào phương trình Fb = Vs × D × g. Fb = 0,262 m3 × 1.000 kg/m3 × 9,81 N/kg = 2.570 Newton. Các đơn vị khác sẽ triệt tiêu nhau, chỉ còn lại đơn vị Newton.

5. 5

   Xác định xem vật có nổi hay không bằng cách so sánh với trọng lực. Bằng phương trình tính lực nổi, bạn sẽ dễ dàng tìm được lực đẩy vật thể ra khỏi chất lỏng. Tuy nhiên, bạn cũng xác định được liệu vật đó nổi hay chìm trong lưu chất nếu làm thêm một bước. Tìm lực nổi tác động lên toàn vật thể (nghĩa là sử dụng toàn bộ thể tích của vật Vs), sau đó tìm trọng lực hút vật xuống bằng phương trình G = (khối lượng vật)(9,81 m/s2). Nếu lực nổi lớn hơn trọng lực thì vật đó sẽ nổi. Mặt khác, nếu trọng lực lớn hơn thì vật sẽ chìm. Nếu hai lực này bằng nhau thì ta nói rằng vật lơ lửng.

   • Một vật lơ lửng sẽ không nổi trên mặt nước hoặc chìm xuống đáy khi ở trong nước. Nó sẽ lơ lửng trong chất lỏng ở khoảng giữa bề mặt và đáy.[1] X Nguồn nghiên cứu Đi tới nguồn
   • Ví dụ, giả sử chúng ta muốn biết liệu một thùng gỗ hình trụ nặng 20 kg có đường kính 0,75 m và cao 1,25 m có thể nổi trong nước hay không. Chúng ta phải thực hiện nhiều bước tính cho bài toán này:
     • Đầu tiên là tìm thể tích bằng công thức tính thể tích hình trụ V = π(bán kính)2(chiều cao). V = π(0,375)2(1,25) = 0,55 m3.
     • Tiếp theo, giả sử biết trọng lực tiêu chuẩn và khối lượng riêng của nước, chúng ta giải tìm lực nổi tác dụng lên thùng. 0.55 m3 × 1000 kg/m3 × 9,81 N/kg = 5.395,5 Newton.
     • Bây giờ chúng ta phải tìm trọng lực tác động lên thùng gỗ. G = (20 kg)(9,81 m/s2) = 196,2 Newton. Kết quả này nhỏ hơn rất nhiều so với lực nổi, do đó thùng sẽ nổi.

6. 6

   Sử dụng cách tính tương tự khi lưu chất là chất khí. Khi giải các bài toán về lực nổi, đừng quên rằng lưu chất không nhất thiết phải là chất lỏng. Khí cũng được xem là lưu chất dù chúng có khối lượng riêng rất nhỏ so với các loại vật chất khác, và khí vẫn có thể đẩy một số vật trôi nổi trong nó. Bong bóng khí heli là bằng chứng cho điều này. Vì khí heli trong bong bóng nhẹ hơn lưu chất quanh nó (không khí) nên bong bóng sẽ bay lên!

1. 1

   Đặt một chiếc bát nhỏ trong một chiếc lớn hơn. Chỉ với vài vật dụng trong nhà, bạn sẽ dễ dàng thấy ảnh hưởng của lực nổi trong thực tế. Trong thí nghiệm này, chúng ta chứng minh khi một vật bị nhấn chìm thì nó sẽ chịu tác dụng của lực nổi, vì nó chiếm chỗ của lượng lưu chất bằng với phần thể tích vật bị nhấn chìm. Trong quá trình làm thí nghiệm chúng ta cũng trình bày cách tìm lực nổi của vật trong thực tiễn. Đầu tiên bạn đặt một vật đựng nhỏ không nắp, như chiếc bát hay cốc, trong một vật đựng lớn hơn như cái tô to hay thùng nước.

2. 2

   Đổ nước vào vật đựng nhỏ đến sát mép. Bạn phải đổ nước tới thật sát mép mà không tràn ra ngoài. Hãy cẩn thận ở bước này! Nếu để nước tràn ra thì bạn phải đổ sạch nước trong vật đựng lớn ra ngoài rồi làm lại.

   • Với thí nghiệm này, chúng ta giả sử nước có khối lượng riêng là 1000 kg/m3. Trừ khi bạn sử dụng nước muối hay một chất lỏng hoàn toàn khác, đa số các loại nước đều có khối lượng riêng gần bằng giá trị tham khảo này nên kết quả sẽ không bị ảnh hưởng.
   • Nếu bạn có ống nhỏ giọt thì có thể dùng nó nhỏ nước vào vật đựng bên trong sao cho mực nước lên sát mép.

3. 3

   Nhấn chìm một vật nhỏ. Tiếp theo, bạn tìm một vật có thể nằm vừa vặn trong vật đựng nhỏ nhưng không bị nước làm hỏng. Tìm khối lượng theo kilogam của vật này (bạn nên dùng cân cho số đọc theo gam và sau đó đổi thành kilogam). Sau đó từ từ nhấn vật này vào nước mà không để ướt ngón tay đến khi nó bắt đầu nổi hoặc bạn hầu như không thể giữ nó lại, rồi thả vật ra. Bạn sẽ thấy một ít nước tràn qua mép vật đựng bên trong vào vật đựng bên ngoài.

   • Đối với ví dụ này, giả sử chúng ta đang nhấn một chiếc xe đồ chơi nặng 0,05 kg vào vật đựng bên trong. Chúng ta không cần biết thể tích của chiếc xe để tính lực nổi, vì chúng ta sẽ biết trong bước kế tiếp.

4. 4

   Thu và đo lượng nước tràn ra. Khi bạn nhấn một vật vào nước, nó sẽ chiếm chỗ của một lượng nước nào đó — nếu không thì sẽ không có không gian để bạn nhúng nó vào nước. Khi nó đẩy nước ra khỏi lối đi, nước sẽ đẩy lại và tạo ra lực nổi. Thu lượng nước tràn ra khỏi vật đựng bên trong và đổ vào cốc đo nhỏ. Thể tích nước trong cốc phải bằng với thể tích của vật bị nhấn chìm.

   • Nói một cách khác, nếu vật nổi thì thể tích nước tràn ra sẽ bằng với phần thể tích vật bị nhấn chìm dưới mặt nước. Nếu vật chìm thì thể tích nước tràn ra sẽ bằng với thể tích của toàn bộ vật.

5. 5

   Tính khối lượng nước tràn ra. Vì bạn biết khối lượng riêng của nước và có thể đo thể tích nước tràn ra trong cốc đo nên sẽ tính được khối lượng nước. Đổi thể tích sang m3 (công cụ đổi đơn vị trực tuyến như công cụ này có thể giúp ích ở đây) và nhân nó cho khối lượng riêng của nước (1.000 kg/m3).

   • Trong ví dụ trên, giả sử chiếc xe đồ chơi chìm trong vật đựng bên trong và chiếm chỗ một lượng nước khoảng bằng 2 thìa canh (0,00003 m3). Để tìm khối lượng nước, bạn nhân giá trị này cho khối lượng riêng: 1.000 kg/m3 × 0,00003 m3 = 0,03 kg.

6. 6

   So sánh khối lượng nước bị chiếm chỗ và khối lượng vật. Bây giờ bạn biết khối lượng của cả vật bị nhấn chìm và lượng nước bị chiếm chỗ, hãy so sánh hai giá trị này. Nếu khối lượng của vật lớn hơn khối lượng thể tích nước bị chiếm chỗ, vật đó sẽ chìm. Mặt khác, nếu khối lượng thể tích nước bị chiếm chỗ lớn hơn thì vật đó sẽ nổi. Đây là nguyên lý của sự nổi trong thực tế — đối với vật có thể nổi thì nó phải chiếm chỗ một khối lượng nước lớn hơn khối lượng của bản thân vật đó.

   • Do đó các vật có khối lượng nhẹ nhưng thể tích lớn là những vật có thể nổi tốt nhất. Tính chất này cho thấy vật rỗng có thể nổi rất tốt. Chúng ta hãy xem xét chiếc ca nô — nó nổi tốt vì nó rỗng bên trong, do đó nó có thể chiếm chỗ rất nhiều nước nhưng khối lượng không quá nặng. Nếu chiếc ca nô đặc bên trong thì nó không thể nổi tốt.
   • Trong ví dụ trên, chiếc xe có khối lượng 0,05 kg lớn hơn khối lượng nước bị chiếm chỗ là 0,03 kg. Điều này phù hợp với những gì chúng ta quan sát: chiếc xe đã chìm.

• Sử dụng loại cân có thể tự chỉnh về không sau mỗi lần cân để có giá trị chính xác.

• Cốc nhỏ hoặc bát
• Tô lớn hoặc thùng
• Vật nhỏ có thể nhúng vào nước (như bóng cao su)
• Cốc đo

Cùng viết bởi:

Thạc sĩ quản lý và khoa học môi trường

Bài viết này đã được cùng viết bởi Bess Ruff, MA. Bess Ruff là nghiên cứu sinh địa lý tại Florida. Cô đã nhận bằng Thạc sĩ Quản lý và Khoa học Môi trường tại Trường Quản lý & Khoa học Môi trường Bren, UC Santa Barbara năm 2016. Cô đã thực hiện công tác khảo sát cho các dự án quy hoạch không gian biển tại vùng biển Caribe và hỗ trợ nghiên cứu với tư cách là cộng tác viên của Nhóm Sustainable Fisheries. Bài viết này đã được xem 17.638 lần.

Chuyên mục: Khoa học và Công nghệ

Trang này đã được đọc 17.638 lần.