Statisk opdrift

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
En genstand vejer mindre, når den er nedsænket i en væske - afhængigt af massen af den forskudte væske reduceres vægten i henhold til det arkimediske princip .

Statisk opdrift (også hydrostatisk opdrift i væsker, [1] aerostatisk opdrift i gasser) er det fænomen, at et legeme , der er nedsænket i en væske (en væske eller en gas) i ro, ser ud til at tabe sig. [2] Det ser ud som om kroppen er blevet lettere, den kan endda "trækkes op". Med andre ord: dens vægt kompenseres delvist, fuldstændigt eller overdrevent af den statiske opdriftskraft (også hydrostatisk opdriftskraft [3] ).

Den (hydro) statiske opdrift sidestilles ofte med den (hydro) statiske opdriftskraft , [4] selvom opdrift faktisk kun beskriver den effekt, der skabes af kraften .

Er kroppens vægt større end den nuværende virkende opdrift, falder kroppen i væsken. I marinens jargon er dette også negativ opdrift eller negativ opdrift kaldes f.eks. I negative opdriftsceller i ubåde. Er vægtkraften mindre, så kroppen stiger i væsken. En bevægelse drevet af opdrift ender, når opdriftskraften og vægten har fundet en ny ligevægt. En varmluftsballon stiger fx, indtil den har nået et luftlag med en lavere densitet, hvilket medfører mindre opdrift og har samme densitet som ballonen. Når der er en ligevægt af kræfter, flyder ballonen uden nogen ændring i højden. Ligevægten kan opnås i en ubåd, der kommer frem til overfladen af ​​vandet ved delvis at forlade vandet og derved reducere dets opdrift. Ubåden flyder på overfladen.

Styrken af ​​den statiske opdrift skyldes Archimedes 'princip , det vil sige, at den afhænger af vægten, der har påvirket den nu forskudte væske. Kroppens tæthed sammenlignes ofte med væskens densitet for at afgive en erklæring om, at kroppen synker, flyder eller stiger. Forholdet til væskens specifikke vægt er forældet.

Når væske strømmer rundt om genstande, kan dynamisk løft også virke (som, hvis det er rettet nedad som kontakttryk , også kaldes downforce ), er dette dynamiske løft det fysiske princip bag fugle, fly og helikoptere.

Fysisk baggrund

Vandets kraft på undersiden (b) er større end vandets kraft på toppen (a). Sidekræfterne (c) og (d) annullerer hinanden. De er irrelevante for opdrift.

Opdriften af ​​et legeme nedsænket i en væske stammer fra det faktum, at trykket fra en væske i tyngdefeltet , det såkaldte hydrostatiske tryk , stiger med dybden, [5] dvs. det er forskelligt for hvert udvidet legeme "under" og "ovenfor" . For eksempel er nedsænket parallelepipedisk legeme med sin base i en væske, det hydrostatiske tryk ved basen (angivet i billedet b) er større end i toppen (a). [5] I tilfælde af uregelmæssigt formede legemer er den statiske opdriftskraft den kraft, der stammer fra de (lodrette) kraftkomponenter i de hydrostatiske tryk, der virker på alle dele af overfladen. [5]

På basis af den nedsænkede kuboid kan man udlede: På et legeme, der er i en væske med densiteten er nedsænket, virker en opdriftskraft med beløbet:

det er mængden af væske, der forskydes af kroppen, accelerationen på grund af tyngdekraften .

Produktet af densitet og volumen er mængden af væsken, som kroppen fortrænger. og er deres vægt . Den statiske opdriftskraft svarer således til vægten af ​​den væske, der ville være i stedet for det nedsænkede legeme.

Dette forhold er kendt som det arkimediske princip .

Vil være den statiske opdriftskraft med vægt af den undersøgte krop sammenlignes, så er forholdet mellem densiteter af krop og væske afgørende for denne sammenligning. Dette er opsummeret på en sådan måde, at et legeme flyder i et væske, når dets middeltæthed er nøjagtigt det samme som det omgivende væskes, at det stiger med en lavere densitet eller synker ved en højere densitet.

Det hydrostatiske paradoks siger, at trykket kun afhænger af dybden og ikke af væskens form. Derfor er opdriftskraften uafhængig af mængden af ​​væske, som kroppen er nedsænket i. Princippet gælder derfor også, hvis for eksempel den resterende væske har et mindre volumen end den nedsænkede del af flyderen.

Opdriftskraften er mindre end vægtkraften: synker

En opdriftskraft virker ikke kun på hver krop, når den er nedsænket i en swimmingpool, den er også den samme i luften. Under normale omstændigheder er denne effekt meget mindre (~ faktor 1000) end i en væske, men for præcis vejning skal det tages i betragtning, at ved bestemmelse af massen i luft opnås kun vægtværdien som en omtrentlig værdi . Selv med små kroppe som oliedråber i luft skal opdriften tages i betragtning ved præcise målinger af kræftbalancen , se Millikan -eksperiment .

Ifølge legenden skulle Archimedes fra Syracusa kontrollere guldindholdet i en krone og dyppe kronen en gang og derefter en guldstang af samme vægt i en fuld vandbeholder og måle mængden af ​​overfyldt vand. Galileo Galilei mistænkte, at Archimedes i stedet brugte en bjælkebalance, der ligner den ovenfor viste, til at måle tæthedsforskelle på grund af forskellig opdrift i vandet.

Opdriftskraften er større end vægtkraften: stigende

  • Varmluft- og gasballoner samt luftskibe stiger, når deres gennemsnitlige tæthed er mindre end den omgivende luft. Dette opnås enten ved at løfte gas med en lavere densitet end luft eller ved opvarmet luft. Varm luft har også en lavere densitet end den omgivende luft. Hvis den indre luftfyldning afkøles i en luftballon, synker ballonen, indtil luften er varmet op igen. En lodret acceleration forårsaget af opdrift ender, når opdriftskraften og vægten er i ligevægt. For eksempel stiger en varmluftsballon, indtil den har nået et luftlag, der har samme gennemsnitlige tæthed som hele ballonen (inklusive belastningen). I den resulterende ligevægt af kræfter flyder ballonen derefter uden nogen ændring i højden. I en ubåd, der vises på overfladen af ​​vandet, etableres ligevægt, når den stiger så langt ud af vandet, at opdriftskraften som følge af vandets forskydning er lig med vægtkraften. Ubåden flyder derefter på overfladen.
  • Med naturlig konvektion sikrer forskelle i densitet en tyngdekraftcirkulation, som blev brugt i den (forældede) tyngdekraftopvarmning .
  • Dykkere tarer ved hjælp af en opdriftskompensator, der kan fyldes med en trykluftcylinder. Fyldning af opdriftskompensatoren øger opdriften og dykkeren stiger. Når vandtrykket falder, når dykkerdybden falder, udvides opdriftskompensatoren (på grund af luftens komprimerbarhed ), og dykkeren stiger endnu hurtigere. For ikke at blive drevet til overfladen af ​​vandet, skal der frigives luft fra opdriftskompensatoren. Indånding af trykluften fører også til en ændring i overkroppens volumen. Denne effekt kan også bruges til tarering i mindre skala.
  • Vulkanisme , gejsere eller mudderpotter er baseret på opdriftseffekter, ligesom stigningen af ​​dampbobler fra bunden af ​​et fartøj, når en væske opvarmes nedenunder, når den koges .
  • Bygninger med kældre trues af opdrift, når grundvandsstanden er høj. Et hus med en vandtæt armeret betonkælder kan flyde, når vandet stiger. Det er derfor, sådanne kældre undertiden bevidst oversvømmes, når de oversvømmes. Ligeledes kan tomme svømmebassiner flyde i det dengang forhøjede grundvand. I tilfælde af oversvømmelse kan fyringsolietanken i det oversvømmede tankrum flyde op, vælte, rør kan rive af og lække.
  • Spaetzle eller dumplings vil stige til toppen i gryden, hvis den lukkede, nu opvarmede luft forårsager en stigning i volumen og dermed et fald i densitet. Dette viser, at de er helt opvarmede, og at de er gennemstegt. [7]
  • CO 2 bobler i mousserende vin stiger på grund af opdriften. [8.]

Opdriftskraften er lig med vægtkraften

Hold musen

  • Når en person flyder i vand (i en flydende tank ) eller driver på overfladen som en "død mand" , så oplever han nogenlunde det samme som i vægtløshed . I denne levitationstilstand ser vægten ud til at være nul. Af denne grund forbereder rumrejsende sig på vægtløshed i vandpuljer og praktiserer arbejde der, som de skal udføre for eksempel uden for rumstationen eller rumfærgen . [9]
  • Ubåde : Ved statisk dykning oversvømmes ballasttanke bevidst. Dette gør det muligt at holde en ubåd på en bestemt vanddybde.

Svømning på overfladen

På grund af den højere saltholdighed i Det Døde Hav er densiteten af ​​vandet højere end for eksempel i Nordsøen , hvilket fører til en lavere synkedybde på grund af den samme opdrift.

Virker på et hvilende, delvist nedsænket legeme (f.eks. Et skib) ud over dets vægt kun den statiske opdrift , gælder derefter for opdriftskraften i statisk ligevægt

[10] [11] [12] [13]

uanset vandets tæthed, som dog har indflydelse på dybden af ​​indtrængning af kroppen (i ligevægt )

Den såkaldte svømme-ligevægt [14] siger, at:

[14]

Anvendelse: skibsudkast

Flydende skibe er i en stabil ligevægt: Når de dykker dybere i høje bølger, stiger det forskudte vandmængde og dermed opdriften, og de løftes op igen. Hvis de løftes for langt, fortrænges vandmængden, og opdriften falder, og tyngdekraften lader dem nedsænke igen.

Hvis et skib hæler til den ene side, f.eks. B. i vendecirkel eller krydsvind øges trækket på denne side, mens det falder på den anden side. I henhold til de ændrede trykforhold skifter liftens centrum, og der opstår et øjeblik, der modvirker krængningen og bringer skibet tilbage til sin startposition, så snart den ydre indflydelse aftager.

Hvis et skib er lastet, stiger dets vægt, så det synker dybere ned i vandet og fortrænger mere vand, end når det er losset. På grund af den større synkedybde, så virker der mere opdriftskraft, dette er altid i ligevægt med (nu større) vægtkraft.

Hvis dette skib kører fra Nordsøen ind i Elben og dermed skifter fra saltvand til ferskvand (som har en lavere densitet end saltvand), ville opdriftskraften falde i ferskvand med uændret nedsænkningsdybde. Derfor synker skibet dybere, indtil opdriftskraften i det større synkevolumen igen er i ligevægt med skibets vægt.

Fribordsmærke (venstre) og lastemærke (højre) på et skib: TF = Fribord ferskvandstroper
F = fribord i ferskvand
T = fribord i tropisk havvand (saltvand i havet)
S = sommerbelastningsmærke i søvand
W = fribord i havvand om vinteren
WNA = Fribord i havvand om vinteren i Nordatlanten

Lastmærker på skibe angiver (tilladte) nedsænkningsdybder i vand med forskellige tætheder. De to øverste vandrette øvre kanter af trinene (mod det cirkulære) fribordsmærke for ferskvand i indre farvande, fire lavere en under den anden for det tættere saltvand i havene med forskellige temperaturer.

Hvis metan bobler fra ubåd metan hydrataflejringer , kan dette udgøre en risiko for skibsfarten . Skotske forskere tilskriver dette sænkningen af ​​en fisketrawler, der blev opdaget i Heksehullet i Nordsøen . De stigende gasbobler kan reducere densiteten af havvandet så meget, at skibe pludselig mister deres evne til at svømme. [15] [16]

Anvendelse: tæthedsmåling, temperaturmåling

På et hydrometer (også kendt som en densitetsspindel), der placeres i en væske med densiteten er nedsænket, virker også en opdriftskraft med beløbet:

Indtrængningsdybden kan derfor bruges til at bestemme væskens densitet og dermed muligvis indholdet af opløste stoffer, som kan aflæses på en skala tilpasset hydrometerets formål. Et typisk eksempel på dette er skala -aerometeret .

I et flydende termometer ifølge Galileo Galilei er flyderne arrangeret i forskellige højder i den respektive ligevægtsposition i henhold til væskens temperaturafhængige densitet

Et Galileo -termometer viser væskens temperatur baseret på opdriften af ​​forskellige legemer i en væske. De anvendte glaskugler til dette formål, hvis diameter er større end halvdelen af ​​cylinderens indre diameter [17] (så de forbliver i stratificeringen og ikke "overhaler" hinanden), blev afbalanceret ved hjælp af væsker så deres gennemsnitlige tæthed fra den øverste kugle til den laveste kugle stiger. Da densiteten af ​​væsken er temperaturafhængig, ændres opdriften i henhold til temperaturen. Ved en bestemt temperatur stiger alle kugler, hvis middeltætheder er mindre end middeltætheden af ​​væsken, der omgiver dem. Alle kugler synker, hvis middeltætheder er større end middeltætheden af ​​væsken, der omgiver dem. Den aktuelle temperatur kan aflæses fra klistermærket, der er fastgjort til bolden, der flyder i bunden. [17] Hvis væsken derefter opvarmes, dvs. dens densitet falder, synker en anden kugle, og den nye temperatur kan igen aflæses fra klistermærket, der er fastgjort til bolden, der flyder i bunden.

Effekten af ​​opdrift, der ændrer sig med temperaturen, opstår også under ubådsdyk, når temperaturen på havvandet falder med stigende vanddybde eller ubåden veksler mellem en varm og en kold havstrøm under statisk dykning.

Se også illustrationen af ​​skibets lastmærker ovenfor, der tager højde for skibes forskellige opdrift om sommeren og vinteren og i det kolde vand i Nordatlanten og i varmere tropiske farvande.

Anvendelse: fysisk legetøj

Se også

Weblinks

Wiktionary: Opdrift - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Commons : Statisk opdrift - samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. ^ Ernst Lecher: Mekanik og akustik - varme - optik. ISBN 3-11-121275-0 , s. 121 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning), sidst åbnet i februar 2020.
  2. Joseph H. Spurk: Fluid Mechanics. ISBN 3-540-61308-0 , s. 143 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning), sidst åbnet i februar 2020.
  3. strømme. S. 12 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning), sidst åbnet i februar 2020.
  4. Fysik og radioteknologi til søfarende. S. 48 ( begrænset eksempel i Google Bogsøgning), sidst åbnet i februar 2020.
  5. ^ A b c Douglas C. Giancoli: Fysik. ISBN 3-86894-023-5 , s. 460 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning )
  6. Disse bygninger blev meget dyrere end planlagt ; på weser-kurier.de
  7. ^ Hans-Joachim Schlichting (fysiklærer)
  8. ^ Hans-Joachim Schlichting (fysiklærer)
  9. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker: Halliday fysik. ISBN 978-3-527-81260-8 , s. 467 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning), sidst åbnet i februar 2020.
  10. Clifford A. Pickover: Archimedes til Hawking . Oxford University Press USA-OSO, 2008, ISBN 978-0-19-533611-5 , s.   41 .
  11. Theodor Pöschl: Svømning kroppen. I: Lærebog i hydraulik til ingeniører og fysikere . Springer, Berlin / Heidelberg 1924, ISBN 978-3-642-98315-3 , s.   27–35 , doi : 10.1007 / 978-3-642-99127-1_4 (springer.com [åbnet 25. februar 2020]).
  12. Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1 (= Springer -lærebog). Springer, Berlin / Heidelberg 2018, ISBN 978-3-662-54846-2 , doi : 10.1007 / 978-3-662-54847-9 ( springer.com [åbnet 25. februar 2020]).
  13. ^ Johow, E. Foerster: beregning og design af skibene . I: Hjælpebog til skibsbygning . Springer, Berlin / Heidelberg 1928, ISBN 978-3-642-50392-4 , s.   1–150 , doi : 10.1007 / 978-3-642-50701-4_1 (springer.com [åbnet 25. februar 2020]).
  14. a b Thomas Krist: Hydraulik . I: formler og tabeller grundlæggende viden om teknologi . Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 1997, ISBN 978-3-528-14976-5 , s.   197–208 , doi : 10.1007 / 978-3-322-89910-1_16 ( springer.com [åbnet 25. februar 2020]).
  15. BBC News: Nordsø -vrag i metanmysterium. 29. november 2000 (adgang 23. juli 2013).
  16. ^ Hans-Joachim Schlichting (fysiklærer)
  17. a b Spil, fysik og sjov. S. 87 ( begrænset eksempel i Google Bogsøgning).