แรงพยุงของของเหลว/แรงลอยตัว
การเกิดแรงพยุงของของเหลว
มนุษย์มักตั้งถิ่นฐานอยู่ใกล้กับแหล่งน้ำต่างๆ เนื่องจากน้ำเป็นสิ่งจำเป็นต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์ เช่น มีการขนส่งทางน้ำ การนำเรือมาเป็นยานพาหนะทางน้ำ ทำไมมนุษย์เราจึงสามารถเลือกวัสดุที่เหมาะสมต่อการสร้างเรือให้ลอยน้ำได้ การที่วัตถุลอยตัวในของเหลว เช่น น้ำ เกิดขึ้นได้อย่างไร และมีลักษณะอย่างไร ศึกษาแรงของของเหลวที่กระทำต่อวัตถุในของเหลวหรือแรงลอยตัวจากการทดลองต่อไปนี้
วิดีโอ YouTube
ความสมพันธ์ระหว่างแรงพยุงกับความดันของของเหลว
ขณะที่วัตถุอยู่ในน้ำ ความดันน้ำจะทำให้มีแรงกระทำต่อวัตถุทุกทิศทุกทาง เมื่อรวมแรงทุกแรงแล้ว แรงลัพธ์ที่กระทำต่อด้านล่างของวัตถุในทิศขึ้นจะมีขนาดมากกว่าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อด้านบนของวัตถุในทิศลง เนื่องจากความดันภายในของเหลวมีค่ามากขึ้นเมื่ออยู่ลึกมากขึ้น
ดังนั้นความดันของน้ำที่ส่วนล่างมีค่ามากกว่าความดันของน้ำส่วนบน จากการรวมแรงทั้งหมดที่น้ำกระทำต่อวัตถุจึงเป็นแรงลัพธ์ของแรงที่มีทิศขึ้นเรียกแรงลัพธ์ของแรงลัพธ์นี้ว่า "แรงพยุงขึ้น" หรือ "แรงลอยตัว(Buoyant force)"
ในการชั่งวัตถุในอากาศและในของเหลว พบว่าเมื่อชั่งวัตถุในของเหลว น้ำหนักของวัตถุมีค่าน้อยกว่าเมื่อชั่งวัตถุในอากาศ เพราะในของเหลว น้ำหนักของวัตถุมีค่าน้อยกว่าเมื่อชั่งวัตถุในอากาศ เพราะในของเหลวมีแรงพยุงขึ้นหรือแรงลอยตัวของของเหลวนั่นเอง
การลอยและการจมของวัตถุในของเหลว
ในชีวิตประจำวันพบว่าในชีวิตประจำวันมีวัตถุหลายชนิดที่ลอยในของเหลวได้ เช่น โฟม ไม้ ขวดพลาสติก ใบไม้ต่างๆ เรือ สามารถลอยน้ำได้ และมีวัตถุอีกจำนวนมากที่จมลงในของเหลว เช่น ก้อนหิน ตะปู เหล็ก ลูกแก้ว เป็นต้น
การลอยของวัตถุในของเหลว
วัตถุสามารถขอลในของเหลวใดๆ เพราะวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวชนิดนั้น เช่น น้ำแข็งก้อนหนึ่งมีความหนาแน่น 0.92 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร สามารถลอยได้ในน้ำซึ่งมีความหนาแน่น 1 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร และแรงดันของน้ำที่ดันวัตถุให้ลอยขึ้นมา แรงนี้คือแรงพยุงขึ้นหรือแรงลอยตัวนั่นเอง
การลอยของวัตถุในของเหลวมี 2 แบบ คือ
1) วัตถุลอย เนื่องจากวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว และแรงพยุงของของเหลวจะทำให้วัตถุลอยขึ้นไปยังผิวน้ำ
2) วัตถุลอยปริ่ม เนื่องจากวัตถุนั้นมีความหนาแน่นเท่ากับความหนาแน่นของของเหลว และแรงพยุงของของเหลวเท่ากับความหนาแน่นของวัตถุพอดีทำให้วัตถุลอยปริ่มในของเหลวนั้นๆ
การจมของวัตถุในของเหลว
วัตถุที่จมในของเหลวนั้นๆ เนื่องจากวัตถุนั้นมีความหนาแน่นมากกว่าความหนาแน่นของของเลวนั้น และแรงพยุงของของเหลวไม่มากพอที่จะพยุงน้ำหนักของวัตถุไว้
แรงพยุงของของเหลวและหลักการของอาร์คีมีดิส (Archimedes principle)
อาร์คิมีดิส (Archimedes principle) กล่าวไว้ว่า เมื่อหย่อนวัตถุลงในน้ำ ปริมาตรของน้ำส่วนที่ล้นออกมา จะเท่ากับปริมาตรของก้อนวัตถุนั้นที่เข้าไปแทนที่น้ำ
สรุปหลักอาร์คิมีดิส ดังนี้
1. ปริมาตรของเหลวที่ถูกแทนที่ จะเท่ากับปริมาตรของวัตถุส่วนที่จมลงในของเหลว
2. น้ำหนักของวัตถุที่่ชั่งในของเหลว จะมีค่าน้อยกว่าน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศ เนื่องจากแรงพยุงของของเหลวมีมากกว่าแรงพยุงของอากาศ
3. น้ำหนักของวัตถุที่หายไปในของเหลว จะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุแทนที่ ซึ่งคำนวณได้จากผลต่างของน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศกับน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในของเหลว
4. น้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ จะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับวัตถุส่วนที่จม
ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับแรงพยุง
1. ชนิดของวัตถุ วัตถุแต่ละชนิดจะมีความหนาแน่นแตกต่างกัน เช่น เหล็ก ไม้ พลาสติก ที่มีมวลเท่ากัน เหล็กจะมีความหนาแน่นมากกว่าไม้และไม้มีความหนาแน่นมากกว่าพลาสติก ซึ่งวัตถุที่มีความหนาแน่นมากจะจมลงไปในของเหลวมาก
2. ชนิดของเหลว ของเหลวแต่ละชนิดมีความหนาแน่นแตกต่างกัน เช่น น้ำบริสุทธิ์มีความหนาแน่นมากกว่าเอทิลแอลกอฮอล์และน้ำมันเบนซิน เป็นต้น ซึ่งของเหลวที่มีความหนาแน่นมาก จะมีแรงพยุงมาก
3. ขนาดของวัตถุ จะส่งผลต่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวซึ่งถ้าวัตถุมีขนาดใหญ่ จะมีปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวมาก ทำให้แรงพยุงมีค่ามาก
ลักษณะของวัตถุเมื่อลอยอยู่ในของเหลว เมื่อวัตถุุอยู่ในของเหลวจะมีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นของวัตถุ ซึ่งสามารถพิจารณาลักษณะของวัตุได้ 3ลักษณะ ดังนี้
1. วัตถุที่ลอยอยู่ในของเหลว แสดงว่าวัตถุมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว แสดงว่า
– ปริมาตรของของเหลวที่ถูกแทนที่เท่ากับปริมาตรชองวัตถุส่วนที่จมในของเหลว
– แรงพยุงเท่ากับน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศและเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่
2. วัตถุลอยปริ่มผิวของของเหลว แสดงว่าวัตถุมีความหนาแน่นเท่ากับของเหลว แสดงว่า
– ปริมาตรของของเหลวที่ถูกแทนที่เท่ากับปริมาตรของวัตถุทั้งก้อนในของเหลว
– แรงพยุงเท่ากับน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศและเท่ากับน้ำหนักของเหลวที่ถูกแทนที่
3. วัตถุที่จมอยู่ในของเหลว แสดงว่าวัตถุมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว แสดงว่า
– ปริมาตรของของเหลวที่ถูกแทนที่เท่ากับปริมาตรของวัตถุทั้งก้อนที่จมในของเหลว
– แรงพยุงเท่ากับน้ำหนักของวัตถุที่จมไปในของเหลวและเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่
สูตรการคำนวณหาแรงพยุง
การทดลองเสมือนจริง
https://phet.colorado.edu/sims/density-and-buoyancy/buoyancy_th.html
ตัวอย่างการคำนวณ
1. เมื่อนำดินน้ำมันก้อนหนึ่งแขวนด้วยเครื่องชั่งสปริง พบว่า อ่านค่าน้ำหนักได้ 5.45 นิวตัน แต่เมื่อนำไปชั่งในน้ำ พบว่า อ่านค่าน้ำหนักบนเครื่องชั่งสปริงได้ 4.20 นิวตัน แรงพยุงที่น้ำกระทำต่อดินน้ำมันมีค่าเท่าไร
วิธีทำ จากสมการ
แรงพยุงของน้ำ = น้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศ – น้ำหนักวัตถุที่ชั่งในน้ำ
แทนค่า แรงพยุงของน้ำ = 5.45 N – 4.20 N
= 1.25 N
เพราะฉะนั้น แรงพยุงที่น้ำกระทำต่อดินน้ำมันมีค่าเท่ากับ 1.25 นิวตัน ตอบ
เหล็กแท่งหนึ่งมีน้ำหนัก 7.84 นิวตัน เมื่อชั่งในอากาศ ถ้านำแท่งเหล็กไปชั่งขณะจมอยู่ในน้ำ เครื่องชั่งอ่านค่าได้ 6.86 นิวตัน จงหาปริมาตรของแท่งเหล็ก (กำหนดให้น้ำมีความหนาแน่นเท่ากับ 1.0 x 103 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร และความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก เท่ากับ 9.8 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง)
วิธีทำ แรงพยุงของน้ำ = น้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศ – น้ำหนักวัตถุที่ชั่งในน้ำ
FB = 7.84 N – 6.86 N
FB = 0.98 N
จากสมการ FB = pVg
V = FB
pg
แทนค่า V = 0.98
1000x9.8
= 0.0001 m3
เพราะฉะนั้น ปริมาตรของแท่งเหล็กมีค่าเท่ากับ 1.0 x 10-4 ลูกบาศก์เมตร ตอบ
ก้อนหินก้อนหนึ่งมีมวล 450 กรัม มีความหนาแน่น 9.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร แท่งเหล็กนี้จะมีปริมาตรเท่าไร
วิธีทำ จากโจทย์กำหนดให้ m = 450 g , p = 9.5 g/cm3 ต้องการหา V
จากสมการ p = m
V
หรือ V = m
p
แทนค่า V = 450
9.5
= 47.37 cm3
เพราะฉะนั้น ปริมาตรของก้อนหินมีค่าเท่ากับ 47.37 ลูกบาศก์เซนติเมตร ตอบ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น