Früher dachte ich, dass die Form eines Objekts seine Schwimmfähigkeit bestimmt (bootförmige Objekte schwimmen eher und Kugeln neigen dazu zu sinken). Aber mein Freund, der mich gern dumm dastehen lässt, nahm mich mit zu einem See in der Nähe und zeigte mir eine schwimmende Kugel und ein sinkendes, bootförmiges Objekt aus Eisen.
Liegt es an der Masse? Ich bin mir nicht sicher, ob das möglich ist, weil ich gesehen habe, wie sehr schwere Dinge (wie Flugzeugträger) schwimmen und wirklich leichte Dinge (wie das Eisenboot meines Freundes) sinken.
Welche Eigenschaft bestimmter Objekte lässt sie gegebenenfalls schweben?
Eigentlich ist die Antwort etwas subtiler als nur Dichte. Das Prinzip hinter schwebenden Objekten ist das Prinzip von Archimedes :
Eine Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas) übt eine Auftriebskraft entgegen der scheinbaren Schwerkraft (dh Schwerkraft + Beschleunigung der Flüssigkeit) auf ein eingetauchtes Objekt aus, die gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist.
Wenn Sie also ein Objekt vollständig in eine Flüssigkeit eingetaucht haben, ist die Gesamtkraft, die es fühlt, gegeben durch (positives Vorzeichen bedeutet nach unten):
Wenn also die durchschnittliche Dichte des Objekts geringer ist als die des Wassers, schwimmt es. Wenn das Objekt teilweise eingetaucht ist, müssen Sie zur Berechnung der Auftriebskraft nur das eingetauchte Volumen und seine durchschnittliche Dichte berücksichtigen:
Beachten Sie, dass ich, als ich über Dichte sprach, über die durchschnittliche Dichte des Objekts sprach. Das ist seine Gesamtmasse dividiert durch sein Volumen. Daher ist ein Schiff, selbst wenn es aus hochdichtem Eisen besteht, voller Luft. Diese Luft verringert die durchschnittliche Dichte, da sie das Volumen erheblich erhöht, während das Gewicht nahezu konstant bleibt.
Wenn Sie dies besser verstehen möchten, können Sie das folgende Problem ausprobieren :)
Wie hoch schwimmt ein Eiswürfel der Seite L im Wasser?
DICHTE
Dies liegt an der Dichte des schwimmenden Objekts und der Flüssigkeit, in der es schwimmt.
Wenn ein Objekt eine geringere Dichte als eine Flüssigkeit hat, schwimmt es, andernfalls sinkt es.
Die Dichte des gesamten Objekts [Masse / Volumen] sollte berücksichtigt werden und nicht nur die Dichte des Materials, aus dem es besteht.
Ein Schiff aus Eisen schwimmt im Meer, weil die Dichte des Schiffes, dh die Masse des Schiffes / das Volumen des Schiffes, geringer ist als die des Wassers. Obwohl die Dichte von Eisen größer ist als die von Wasser, macht die Hohlheit des Schiffes sein Volumen groß, daher ist die Dichte von "Schiff" geringer als die von Wasser.
Im toten Meer können du und ich schwimmen.
In Quecksilber schwimmen Eisennägel.
Ein Körper schwimmt, wenn sein Auftrieb (Auftrieb) mit seiner abwärts gerichteten Gravitationskraft im Gleichgewicht steht.
Mit anderen Worten (wie auf der Wiki-Seite angegeben ),
(wobei alle Konstanten ziemlich selbsterklärend sind.)
Die Eigenschaften des Objekts, die bestimmen, ob/wie es schwimmt, sind also eindeutig seine Masse und sein Volumen. Genauer gesagt ist es die Beziehung zwischen den beiden; die Dichte des Objekts (unter Berücksichtigung des umschlossenen Volumens, dh das, in das kein Wasser eindringen kann) muss niedriger sein als die Dichte von Wasser damit es schwimmt.
Beachten Sie auch, dass die Dichtefunktion (wie die Dichte des Objekts räumlich variiert) bestimmt, was und die Form des Objekts genau bestimmt, wie das Objekt schwimmt (z. B. die Wasserlinie). Dies ist jedoch nicht notwendig, um festzustellen, ob es schwimmt.
Der einzige Parameter, der zählt, ist die Dichte: das Verhältnis zwischen Gewicht und Volumen.
Wenn die Dichte höher ist als das umgebende Medium (sagen wir Wasser, dessen Dichte 1000 kg/m³ ist), sinkt es und es schwimmt, wenn die Dichte niedriger ist (Sie haben die Besonderheit, wo beide gleich sind).
Objekte schweben aufgrund des archimedischen Prinzips: Grundsätzlich und unter einer Hypothese gibt es eine nach oben gerichtete Kraft, deren Größe dem Gewicht des verdrängten Wasservolumens entspricht (dem Wasservolumen, das der eingetauchte Teil des Körpers einnimmt). Dieses Gewicht ist gleich g * V * Dichte . Die andere auf das Objekt wirkende Kraft ist sein eigenes Gewicht: g * V * Dichte Objekt .
Sie stellen dann die Regel über Dichten wieder her.
In den häufigsten Fällen basiert es auf der Dichte. Ein Objekt, das dichter als die Flüssigkeit ist, wird sinken, und ein Objekt, das weniger dicht ist, schwimmt.
Um etwas mehr ins Detail zu gehen: Wenn ein Gegenstand in eine Flüssigkeit gelegt wird, übt die Flüssigkeit eine nach oben gerichtete Kraft auf ihn aus, die sogenannte Auftriebskraft . Diese Kraft ist betragsmäßig gleich dem Gewicht der durch das Objekt verdrängten Flüssigkeit – d. h. der Flüssigkeitsmenge, die das eingetauchte Volumen des Objekts füllen würde. (Ich kann mehr mathematische Details liefern, wenn Sie möchten, oder schauen Sie sich einfach den verlinkten Wikipedia-Artikel an.)
Angenommen, das Objekt ist vollständig untergetaucht.
Wenn das Objekt dichter als die Flüssigkeit ist, ist das Gewicht der Flüssigkeit, die das Volumen des Objekts füllen würde, geringer als das Gewicht des Objekts. Die nach oben wirkende Auftriebskraft ist also nicht stark genug, um dem Gewicht des Objekts entgegenzuwirken, und das Objekt sinkt.
Wenn die Flüssigkeit dichter ist als das Objekt, ist das Gewicht der Flüssigkeit, die das Volumen des Objekts füllen würde, größer als das Gewicht des Objekts, und die Auftriebskraft ist stark genug, um das Gewicht zu überwinden und das Objekt anzuheben. Aber wenn das Objekt aufsteigt, beginnt es schließlich, aus der Flüssigkeit aufzusteigen, sein untergetauchtes Volumen wird geringer und die Auftriebskraft wird wiederum geringer. Irgendwann fällt die Auftriebskraft auf das Gewicht des Objekts ab, und dann hört das Objekt auf zu steigen - es schwebt einfach dort auf dieser Ebene.
Ein Objekt schwimmt, wenn es genügend Druck vom Wasser erhält, um sein Gewicht auszugleichen. Der Schub entspricht dem Gewicht des verdrängten Wassers.
Mit anderen Worten: Objekte mit einer besonders guten Form zum Abtransport von Wasser (wie bootförmige Objekte) dürfen mehr wiegen und trotzdem schwimmen; Objekte mit einer schlechten Form (wie Kugeln) dürfen weniger wiegen und trotzdem schwimmen.
Um ein mechanisches Problem wie dieses zu lösen, müssen Sie nur die auf ein Objekt wirkenden Kräfte berücksichtigen. In diesem Fall wirken zwei relevante Kräfte auf das Boot: sein Gewicht (zieht es nach unten) und die Auftriebskraft (drückt es nach oben). Die Auftriebskraft eines Bootes ist gleich dem Gewicht des Wassers, das es verdrängt (siehe: Archimedisches Prinzip ). Wenn das Boot weiter ins Wasser sinkt, wird immer mehr Wasser verdrängt, bis das Gewicht des verdrängten Wassers gleich dem Gewicht des Bootes ist und das Gleichgewicht erreicht ist und das Boot auf dieser Höhe schwimmt.
Es gibt keine Eigenschaften eines Objekts, die das eine schweben lassen und das andere nicht. Ob etwas schwimmt oder nicht, wird bestimmt, indem man sein Gewicht in Luft mit dem Gewicht des Wassers vergleicht, das es verdrängt. Wenn das verdrängte Wasser mehr wiegt, schwimmt das Objekt.
Das Wasser, das das bootförmige Loch im Wasser füllen würde, wiegt mehr als das Boot selbst. Dieses verdrängte Wasser wurde über seinen normalen Ruheplatz angehoben, und sagen wir, das gesamte angehobene Wasser wiegt 1000 #. Nehmen wir an, das Boot wiegt 600 #. 1000 Pfund erhöhtes Wasser wollen zurückfallen und sich selbst nivellieren und das Boot auswerfen (egal wie es geformt ist). Es gibt also 1000 Pfund, die gegen das Boot drücken, und 600 Pfund, die das Boot nach unten drückt. Das Boot verliert den Kampf und schwimmt.
Nehmen wir an, eine Bowlingkugel könnte mit 1 Gallone Wasser gefüllt werden, wenn sie hohl wäre, aber die Kugel ist normal und wiegt 15 Pfund. Wenn Sie den Ball in Wasser legen und 8,3 # (1 Gallone) Wasser in den See, Ozean oder Eimer steigen. Aber der Ball überwiegt das verdrängte Wasser um 6,7 # und sinkt immer noch, wobei das Wasser angehoben wird. (Der Ball würde unter Wasser 6,7 # wiegen, weil die Kraft von 8,3 # Wasser nach oben drücken würde, was die nach unten gerichtete Kraft von 15 # ausgleicht.)
Da sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt, nimmt Eis mehr Platz ein als das Wasser, aus dem es besteht. Daher wiegt das vom Eis verdrängte Wasser mehr als das Eis, und das Eis schwimmt.
Wie Sie sehen, ist der Grund, warum alles schwimmt, letztendlich die Schwerkraft. Die Schwerkraft der verdrängten Flüssigkeit, die versucht, wieder nach unten zu fallen und ihren ursprünglichen Raum zurückzuerobern. So etwas wie „Auftrieb“ gibt es nicht, obwohl ich gehört habe, dass MIT-Professoren diesen Begriff verwenden.
starker Text Nimm das Gewicht (Masse) des Objekts und teile es durch sein Volumen. Wenn die Zahl, die Sie erhalten, kleiner als eins ist, schwimmt das Ding. Wenn die Zahl größer als eins ist, sinkt sie. Nehmen Sie ein Kupferblech 8 "x 8" beliebiger Dicke. Lassen Sie es ins Wasser fallen und es wird sinken. Nehmen Sie es heraus und machen Sie eine Schüssel daraus. (Schlagen Sie es mit einem Kugelhammer in die Mitte, während es auf weichem Boden (Erdboden) platziert wird, um die Schüssel herzustellen). Senken Sie nun die Schüssel vorsichtig auf Wasser. Es wird schweben.
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Justin L.