La force de flottabilité est une force opposée à la gravité, qui affecte tous les objets immergés dans un fluide. Lorsqu'un objet est placé dans un fluide, la masse de l'objet appuie contre le fluide (liquide ou gaz), tandis que la force de flottabilité pousse l'objet contre la gravité. En termes généraux, cette force de poussée peut être calculée par l'équation Fune = Vt × × g, avec Fune est la force de flottabilité, Vt est le volume de l'objet immergé, est la densité du fluide, et g est la force gravitationnelle. Pour savoir comment déterminer la flottabilité d'un objet, reportez-vous à l'étape 1 ci-dessous pour commencer.
Étape
Méthode 1 sur 2: Utilisation de l'équation de la flottabilité
Étape 1. Trouvez le volume de la partie immergée de l'objet
La force de flottabilité agissant sur un objet est proportionnelle au volume de l'objet immergé. En d'autres termes, plus la partie solide immergée de l'objet est grande, plus la force de flottabilité agissant sur l'objet est importante. Cela signifie que les objets qui sont immergés dans un liquide ont une force de flottabilité qui pousse l'objet vers le haut. Pour commencer à calculer la force de flottabilité agissant sur un objet, votre première étape consiste généralement à déterminer le volume de l'objet immergé dans le fluide. Pour l'équation de la flottabilité, cette valeur doit être en mètres3.
- Pour un objet complètement immergé dans un fluide, le volume immergé est égal au volume de l'objet lui-même. Pour les objets qui flottent au-dessus de la surface du fluide, seul le volume sous la surface est calculé.
- Par exemple, supposons que nous voulions trouver la force de flottabilité agissant sur une balle en caoutchouc flottant sur l'eau. Si la balle en caoutchouc est une sphère parfaite d'un diamètre de 1 m et flotte avec la moitié immergée sous l'eau, on peut trouver le volume de la partie immergée en trouvant le volume total de la sphère et en divisant par deux. Puisque le volume de la sphère est (4/3) (rayon)3, nous savons que le volume de notre sphère est (4/3)π(0, 5)3 = 0,524 mètres3. 0, 524/2 = 0,262 mètres3 évier.
Étape 2. Trouvez la densité de votre fluide
La prochaine étape dans le processus de recherche de la flottabilité consiste à définir la densité (en kilogrammes/mètre3) du fluide dans lequel l'objet est immergé. La densité est une mesure de la masse d'un objet ou d'une substance par rapport à son volume. Si on lui donne deux objets avec le même volume, l'objet avec la plus grande densité aura plus de masse. Selon la règle, plus la densité du fluide dans lequel l'objet est immergé est élevée, plus la force de flottabilité est grande. Avec les fluides, le moyen le plus simple de déterminer la densité est généralement de la rechercher dans un matériau de référence.
- Dans notre exemple, notre balle flotte dans l'eau. En examinant les sources académiques, nous pouvons constater que l'eau a une densité d'env. 1 000 kilogrammes/mètre3.
- D'autres densités de fluides largement utilisées sont répertoriées dans les sources d'ingénierie. Une des listes peut être trouvée ici.
Étape 3. Trouvez la force de gravité (ou une autre force descendante)
Qu'un objet coule ou flotte dans un fluide, il a toujours une force gravitationnelle. Dans le monde réel, la constante de force descendante est égale à 9,81 newtons/kilogramme. Cependant, dans les situations où d'autres forces, telles que la force centrifuge, agissent sur le fluide et l'objet qui y est immergé, cette force doit également être prise en compte pour déterminer la force descendante nette pour l'ensemble du système.
- Dans notre exemple, nous travaillons avec un système statique ordinaire, nous pouvons donc supposer que la seule force descendante agissant sur les fluides et les objets est la force gravitationnelle générale - 9,81 newtons/kilogramme.
- Cependant, que se passe-t-il si notre balle, qui flotte dans un seau d'eau, est balancée en cercle dans une direction horizontale à grande vitesse ? Dans ce cas, en supposant que le seau soit balancé assez rapidement pour que l'eau et la balle ne se renversent pas, la force descendante dans cette situation sera dérivée de la force centrifuge créée par le balancement du seau, et non de la gravité terrestre.
Étape 4. Multipliez le volume × la densité × la gravité
Si vous avez la valeur volumique de votre objet (en mètres3), la densité de votre fluide (en kilogrammes/mètre3) et la force de gravité (la force descendante sur votre système), donc trouver la flottabilité est très facile. Il suffit de multiplier ces trois valeurs pour trouver la force de poussée en newtons.
Résolvons notre exemple de problème en branchant nos valeurs dans l'équation Fune = Vt × × g. Fune = 0,262 mètres3 × 1 000 kilogrammes/mètre3 × 9,81 newtons/kilogramme = 2 570 newtons.
Étape 5. Voyez si votre objet flotte en comparant la flottabilité à la force gravitationnelle
En utilisant l'équation de la flottabilité, il est facile de trouver la force qui pousse un objet vers le haut et hors du fluide. Cependant, avec un petit effort supplémentaire, il est également possible de déterminer si un objet flottera ou coulera. Trouvez simplement la force de flottabilité pour l'ensemble de l'objet (en d'autres termes, utilisez tout le volume pour la valeur de Vt), puis trouvez la force gravitationnelle qui le pousse vers le bas avec l'équation G = (masse de l'objet) (9,81 mètres/seconde2). Si la force de flottabilité est supérieure à la force gravitationnelle, l'objet flottera. D'un autre côté, si la force gravitationnelle est supérieure à la force de flottabilité, l'objet coulera. Si les grandeurs sont les mêmes, l'objet est dit flotter.
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Par exemple, disons que nous voulons savoir si un tonneau cylindrique en bois d'une masse de 20 kilogrammes et d'un diamètre de 0,75 m et d'une hauteur de 1,25 m flottera dans l'eau. Ce problème va utiliser plusieurs étapes:
- On peut trouver le volume avec la formule du volume du cylindre V = (rayon)2(haut). V = (0,375)2(1, 25) = 0,55 mètres3.
- Ensuite, en supposant que la grandeur de la gravité est ordinaire et celle de l'eau de densité ordinaire, nous pouvons trouver la force de flottabilité du baril. 0,55 mètres3 × 1000 kilogrammes/mètre3 × 9,81 newtons/kilogramme = 5 395, 5 newtons.
- Maintenant, nous devons trouver la force gravitationnelle du baril. G = (20 kg) (9,81 mètres/seconde2) = 196,2 newtons. Cette force est inférieure à la force de flottabilité, donc le canon flottera.
Étape 6. Utilisez la même approche si votre fluide est un gaz
Lorsque vous travaillez sur des problèmes de flottabilité, n'oubliez pas que le fluide dans lequel l'objet est immergé ne doit pas nécessairement être un liquide. Les gaz sont également des fluides et, bien que les gaz aient une densité très faible par rapport à d'autres substances, ils peuvent toujours supporter certaines masses d'objets flottant dans le gaz. Un simple ballon d'hélium en est la preuve. Parce que le gaz dans le ballon est moins dense que le fluide environnant (air ambiant), le ballon flotte !
Méthode 2 sur 2: Réalisation d'une expérience de flottabilité simple
Étape 1. Placez un petit bol ou une tasse dans un bol plus grand
Avec certains articles ménagers, il est facile de voir les principes de flottabilité en expérimentation ! Dans cette expérience simple, nous démontrerons qu'un objet immergé subit une force de flottabilité car il déplace un volume de fluide égal au volume de l'objet immergé. En faisant cela, nous démontrerons également un moyen pratique de trouver la force de flottabilité d'un objet avec cette expérience. Pour commencer, placez un petit récipient ouvert, comme un bol ou une tasse, à l'intérieur d'un récipient plus grand, comme un grand bol ou un seau.
Étape 2. Remplissez le petit récipient jusqu'au bord
Ensuite, remplissez le petit récipient intérieur avec de l'eau. Vous voulez que l'eau soit aussi haute que le récipient sans se renverser. Soyez prudent ici! Si vous renversez de l'eau, videz le plus grand récipient avant de réessayer.
- Pour les besoins de cette expérience, il est acceptable de supposer que l'eau a une densité générale de 1000 kilogrammes/mètre3. À moins que vous n'utilisiez de l'eau de mer ou un liquide complètement différent, la plupart des types d'eau ont presque la même densité que cette valeur de référence, donc une petite différence ne changera pas nos résultats.
- Si vous avez des gouttes pour les yeux, cela peut être très utile pour augmenter le niveau d'eau dans un petit récipient.
Étape 3. Immerger le petit objet
Ensuite, recherchez un petit objet qui tiendra dans un petit récipient et ne sera pas endommagé par l'eau. Trouvez la masse de cet objet en kilogrammes (vous pouvez utiliser une balance ou une balance qui peut prendre des grammes et les convertir en kilogrammes). Ensuite, sans vous mouiller les doigts, lentement mais sûrement, plongez l'objet dans l'eau jusqu'à ce qu'il commence à flotter ou vous pouvez le tenir légèrement puis le relâcher. Vous remarquerez qu'une partie de l'eau contenue dans le petit récipient se répandra dans le récipient extérieur.
Pour les besoins de notre exemple, supposons que nous trempons une petite voiture d'une masse de 0,05 kilogramme dans un petit récipient. Nous n'avons pas besoin de connaître le volume de cette voiture pour calculer sa flottabilité car nous verrons cela à la prochaine étape
Étape 4. Recueillez et comptez l'eau renversée
Lorsque vous plongez un objet dans l'eau, il déplace une partie de l'eau - sinon il n'y aura pas de place pour mettre l'objet dans l'eau. Lorsqu'un objet repousse l'eau, l'eau repousse, créant une force de flottabilité. Prenez l'eau renversée d'un petit récipient et versez-la dans une petite tasse à mesurer. Le volume d'eau dans le gobelet doseur est égal au volume de l'objet immergé.
En d'autres termes, si votre objet flotte, le volume d'eau qui se déverse sera égal au volume de l'objet qui est immergé sous la surface de l'eau. Si votre objet coule, le volume d'eau qui se déverse est égal au volume total de l'objet
Étape 5. Calculez la masse de l'eau déversée
Puisque vous connaissez la densité de l'eau et que vous pouvez mesurer le volume d'eau qui se déverse dans la tasse à mesurer, vous pouvez trouver sa masse. Il suffit de changer le volume en mètres3 (des aides à la conversion en ligne, comme celle-ci, peuvent aider) et multipliez par la densité de l'eau (1 000 kilogrammes/mètre3).
Dans notre exemple, supposons que notre petite voiture s'enfonce dans un petit récipient et se déplace d'environ deux cuillères à soupe (0.0003 mètres3). Pour trouver la masse de notre eau, on va la multiplier par sa densité: 1 000 kilogrammes/mètre3 × 0,0003 mètres3 = 0,03 kilogramme.
Étape 6. Comparez la masse de l'eau déversée avec la masse de l'objet
Maintenant que vous connaissez la masse de l'objet que vous plongez dans l'eau et la masse de l'eau qui s'est déversée, comparez-les pour voir quelle masse est la plus grande. Si la masse d'un objet immergé dans un petit récipient est supérieure à l'eau déversée, l'objet coulera. En revanche, si la masse de l'eau déversée est plus importante, l'objet flottera. C'est le principe de la flottabilité dans l'expérience - pour qu'un objet flotte, il doit déplacer une quantité d'eau avec une masse supérieure à la masse de l'objet lui-même.
- Ainsi, les objets de faible masse mais de grand volume sont les types d'objets qui flottent le plus facilement. Cette propriété signifie que les objets creux flottent très facilement. Imaginez un canoë - le canoë flotte bien car il est creux à l'intérieur, il peut donc déplacer beaucoup d'eau sans avoir à avoir une grande masse. Si le canoë n'est pas creux (solide), alors le canoë ne flottera pas correctement.
- Dans notre exemple, la voiture a une masse plus importante (0,05 kilogramme) que l'eau déversée (0,03 kilogramme). Cela concorde avec ce que nous observons: les voitures coulent.
