Preguntas y respuestas sobre flotabilidad
1. ¿Por qué las burbujas adheridas al fondo del agua no flotan?
Muchas veces veremos algunas burbujas adheridas a objetos bajo el agua y no flotando. Si conoces los conocimientos sobre "viscosidad", no te sorprenderá. No habrá burbujas en un superfluido, pero el agua que vemos todos los días no es un superfluido. El agua es viscosa. Aunque la viscosidad del agua es muy pequeña, generalmente es menor que la flotabilidad. Cuando hiervas un bol de pasta, verás que dejan de subir más burbujas. Las burbujas pequeñas no flotarán porque existe una fuerza de adsorción mutua entre las moléculas de agua y la pared del recipiente. ¡Esta fuerza es muy pequeña y la fuerza de flotación siempre es mayor!
Se producirán burbujas en el agua calentada porque a medida que aumenta la temperatura del agua, la capacidad del agua para disolver el aire disminuye. Después de la saturación, el exceso de aire se descompone y se agrega para formar burbujas. Durante este proceso, debido a que la pared del recipiente es rugosa, las burbujas se adsorben fácilmente en la pared del recipiente primero. Si no hay flotabilidad, estas burbujas se adsorberán en la misma posición para siempre hasta que el aire de las burbujas se disuelva nuevamente. Este suele ser el caso. No habrá burbujas tan rebeldes allí abajo. Si usas un vaso transparente para sostener una taza de Coca-Cola, habrá muchas burbujas en la pared, ¿verdad? Después de dos días de almacenamiento, ¿todavía quedan burbujas? El dióxido de carbono que se desborda debido a la reducción de presión no se puede volver a disolver en el vaso abierto. ¿Adónde va? La viscosidad del agua y la fuerza de adsorción de las paredes rugosas de los contenedores pueden evitar que pequeñas burbujas se eleven temporalmente, pero esto no prueba que no se vean afectadas por la flotabilidad. Mientras el tiempo sea lo suficientemente largo, la fuerza de flotabilidad eventualmente superará los efectos de otras fuerzas y eventualmente empujará la burbuja hacia arriba.
2. ¿Existe todavía flotabilidad en estado de ingravidez?
Existen dos situaciones de ingravidez, una es ingravidez completa y la otra es ingravidez incompleta. Cerca de la superficie terrestre, cuando un objeto tiene aceleración hacia abajo, el objeto se encuentra en un estado de ingravidez. Si la aceleración es menor que la aceleración de caída libre, el objeto se encuentra en un estado de ingravidez incompleta. aceleración de caída libre, el objeto se encuentra en un estado de total ingravidez.
Cuando el líquido y el objeto sumergido en el líquido están en un estado de total ingravidez, el objeto no se ve afectado por la fuerza de flotación; cuando se encuentra en un estado de ingravidez incompleta, la fuerza de flotación aún existe; , pero es más pequeño de lo habitual. Se debe reducir la flotabilidad. Esto se debe a que cuando un líquido no está sujeto a la gravedad, no puede fluir y la presión en el fluido ya no existe cuando no hay gravedad. La razón de la flotabilidad es la diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del objeto (. siempre que la diferencia de presión esté presente), de modo que cuando el objeto esté completamente ingrávido, ya no flotará.
3. ¿Existe flotabilidad entre las mismas sustancias?
Cuando no hay otros objetos, mientras exista una diferencia de densidad, habrá flotabilidad entre el agua caliente y el agua fría, de lo contrario el ciclo térmico será imposible. La convección térmica se produce porque la densidad del agua caliente es relativamente pequeña, por lo que es empujada hacia arriba por la flotabilidad del agua fría, aunque el agua fría y el agua caliente no son dos objetos diferentes. Por supuesto, además de por convección, el calor también se propaga de muchas formas, como por difusión y radiación. Es normal que algunos calentadores situados en la parte superior calienten el agua por la parte inferior. Incluso si no hay otros objetos en el fluido, mientras exista diferencia de densidad y gravedad, habrá flotabilidad. Por supuesto que el contacto es necesario, la flotabilidad no se puede transmitir a través del aire.
4. ¿El objeto en el fondo del contenedor todavía está afectado por la flotabilidad?
Algunas personas dicen que un objeto ubicado en el fondo de un recipiente y en estrecho contacto con el fondo del recipiente sólo puede verse afectado por la presión del líquido que actúa hacia abajo sobre la superficie del objeto, por lo que el objeto no se ve afectado por la flotabilidad.
El párrafo anterior no es del todo correcto. Requiere dos condiciones: la superficie lateral del objeto debe estar vertical o inclinada hacia adentro, y la superficie inferior del objeto no debe estar inclinada hacia afuera en la dirección técnica; . Asegúrese de que la parte superior esté en estrecho contacto con el fondo del recipiente y que ningún líquido pueda penetrar en él. El objeto que se hunde en el fondo del agua en realidad se ve afectado por tres fuerzas: la flotabilidad del agua, la fuerza de soporte del contenedor y su propia gravedad
La situación de fuerza en este momento: F flotar F rama = G Objeto
Por supuesto, si el objeto está en el fondo del agua donde está en contacto con el contenedor y no hay aire (vacío), entonces el objeto no se verá afectado por el flotabilidad del agua.
5. ¿Explica el fenómeno de estratificación entre diferentes líquidos?
El fenómeno de estratificación entre diferentes líquidos sigue siendo el resultado de la flotabilidad. La razón fundamental es que las densidades de los diferentes líquidos son diferentes (ver las condiciones de flotación y hundimiento de los objetos anteriores si no están estratificados). El líquido mezclado no se disuelve entre sí, puede ser que sus densidades sean extremadamente cercanas, lo cual es similar al fenómeno de las burbujas en el agua que no flotan temporalmente. Al dejarlo reposar durante un período de tiempo o utilizar la aceleración centrífuga para mejorar el efecto de gravedad, se pueden precipitar o separar en capas.
6. Cuando se estratifica el líquido, ¿dónde se utiliza la fila V para calcular la flotabilidad?
Algunos estudiantes piensan que cuando el petróleo flota en el agua, el petróleo no desplaza el agua en absoluto, entonces, ¿cómo puede estar sujeto a flotabilidad? Por ejemplo, ¿cuál es la fila V de una capa de aceite sobre la superficie del agua en un recipiente para caldo?
De hecho, en la pregunta anterior, debido a la limitación de forma del recipiente, el agua desplazada por el aceite no puede revelarse en absoluto al desbordar el recipiente, etc. Sin embargo, no es que el aceite no desplazó el agua, es sólo que no la vimos. Hay dos formas de mostrar esta fila en V: 1. Vierta agua sobre el piso de cemento liso. La mancha de agua tendrá un área determinada. En este momento, vierta ligeramente un poco de aceite en el centro de la mancha de agua. Bajo la presión del aceite, el área de distribución de las manchas de agua se expandió, lo que demostró que el aceite efectivamente desplazó al agua. 2. Tome un tubo en forma de U (conector) con ambos extremos abiertos, ponga un poco de agua en él y vierta aceite en una de las aberturas del tubo. Verá que la superficie del agua en este tubo bajará un poco y el agua. La superficie del otro tubo caerá en consecuencia a medida que el suelo se eleva, la diferencia de altura entre las superficies del agua en los dos tubos, multiplicada por el área de la sección transversal de los tubos, es el volumen de agua desplazada por el aceite.
7. ¿Puede un líquido hacer flotar objetos más grandes que su propia gravedad?
Algunas personas creen que un líquido no puede hacer flotar objetos más grandes que su propia gravedad basándose en el principio de Arquímedes. De hecho, esta es una inferencia errónea porque el principio establece que "la fuerza de flotación es igual al desplazamiento de". "La gravedad del líquido desplazado por el objeto". Tenga en cuenta que la clave aquí es el "desplazamiento". A través de un diseño inteligente, podemos hacer que el "volumen del líquido desplazado por el objeto" sea completamente mayor que el "original". volumen total del líquido" (las comillas se incluyen para llamar la atención).
Por ejemplo: tome un recipiente cilíndrico y luego procese un bloque de madera cilíndrico con un diámetro ligeramente menor que el diámetro interior del recipiente, de modo que los dos cilindros tengan la misma altura para facilitar la observación. Vierta una cantidad muy pequeña de agua en el recipiente (la clave es hacer que la masa del agua sea mucho más pequeña que la masa del bloque de cilindros) y luego coloque el bloque de cilindros en el recipiente. Verá que el agua sube. el cilindro, flota el bloque de madera (el efecto es que el bloque de madera está más alto que la boca del recipiente). Un cono de madera con una superficie de base de 12,56 metros cuadrados y una altura de 2 metros. La punta del cono se sumerge a 20 metros bajo el agua. Debido a que la presión es igual a la presión multiplicada por el área, la presión hacia abajo en su superficie superior es mayor que la presión hacia arriba en su superficie inferior. Según la diferencia de presión, se hundirá hasta el fondo del agua. Pero la ley de Arquímedes establece que el peso del objeto es menor que el peso del agua que desplaza, y el cono de madera flotará hacia la superficie. Es más, el cono está hecho de madera y la madera flotará hacia la superficie. Este es un fenómeno natural de sentido común.
1. ¿Por qué la inferencia de diferencia de presión es contraria a los fenómenos naturales?
Respuesta: 1. No al revés. La dirección de la presión del agua que actúa en el lado del cono es oblicua. Lo que realmente juega el papel de flotabilidad es la componente vertical hacia arriba, y esta componente aumenta gradualmente a medida que se profundiza. Se puede ver en la integral que la presión. La diferencia en este momento sigue siendo igual a ρgV
2, la punta del cono está hacia abajo o hacia arriba. Según el resultado del cálculo de la diferencia de presión, la fuerza de flotabilidad que reciben es diferente. Pero el agua que desplazan tiene el mismo peso y, según la ley de Arquímedes, la fuerza de flotación sobre ellos debería ser igual. ¿Por qué la conclusión a la que se llega por la diferencia de presión es diferente de la ley de Arquímedes?
Respuesta: El principio es el mismo que 1, excepto que después de colocar el cono en el lado opuesto, la presión integral en la superficie del cono es diferente, lo que hace que su valor se vuelva más pequeño, por lo que la diferencia de presión total sigue siendo lo mismo, igual a ρ líquido gV desplazamiento
3. ¿Está relacionada la fuerza de flotabilidad sobre un objeto con su forma y forma en el agua?
Respuesta: No tiene nada que ver, sólo está relacionado con el volumen que desplaza en el agua. Pero cuando la forma es irregular, la fuerza de flotación debe escribirse como una fórmula integral.
4. ¿Puede la diferencia de presión explicar la fuerza de flotabilidad que experimentan objetos de diversas formas (incluidos los irregulares) en el agua y las razones de su aparición?
Respuesta: Sí, el principio es el mismo que 3
5 si la aplicación de la diferencia de presión solo se limita a objetos individuales y de forma pequeña. Entonces, ¿puede esta inferencia unilateral explicar la verdadera causa de la flotabilidad?
Respuesta: Se ha explicado en los puntos 1, 2, 3 y 4 anteriores que la diferencia de presión no tiene limitaciones, por lo que la pregunta planteada en la pregunta 5 no es válida. Coloque un bloque de madera con fondo liso en un frasco de vidrio equipado con una válvula de fondo. Sujeta el bloque de madera con la mano y luego vierte agua en el agua. Después de sumergir el bloque de madera, abre la válvula para drenar el agua. En este momento, levante el bloque de madera y verifique que no haya agua en la zona de contacto entre su superficie inferior y el cilindro. Luego, vuelve a colocarlo en el tanque, sujétalo con la mano y llénalo de agua. Después de soltarlo, nos sorprendió descubrir que el bloque de madera flotaría automáticamente. (También puede utilizar algunos métodos auxiliares para hacer que la superficie inferior del bloque de madera esté libre de agua. Por ejemplo, aplique pasta alrededor del contacto entre el bloque de madera y el fondo del tanque para evitar que entre agua. Sin embargo, la resistencia externa al bloque de madera flotante no se puede aumentar Debido a que las propiedades de flotabilidad del gas son diferentes a las de los líquidos, se pueden realizar experimentos similares en el aire) Basado en la diferencia de presión, inferencia: Si no hay agua en el. fondo del bloque de madera sumergido en el tanque, entonces no experimenta la presión hacia arriba del agua, sino sólo la presión hacia abajo del agua.
1. ¿Por qué los resultados experimentales son contradictorios con la conclusión de la diferencia de presión?
2. El bloque de madera del experimento desplazó un volumen de agua igual a su volumen en el tanque. Según la ley de Arquímedes, recibió una fuerza de flotación igual al peso del agua que desplazó. ¿Por qué la diferencia de presión significa que el bloque no flota? ¿Cuál está bien o mal entre ellos?
3. Si no hay agua en el fondo del bloque de madera sumergido en agua, todavía flota. Entonces, ¿cómo se produce esta flotabilidad?
Respuesta: El experimento no garantiza que el fondo del bloque de madera sea liso, es decir, no hay garantía de que nunca entre agua al fondo del bloque de madera. Por lo tanto, la conclusión de. Este experimento no puede resistir el escrutinio. Por lo tanto, las preguntas 1, 2 y 3 son todas preguntas inválidas. Hay tres modelos de barcos de hierro A, B y C con la misma masa y volumen. Aplica presión al barco A con las manos para que se hunda hasta el fondo del agua. Coloque el bote B en el agua en ángulo y déjelo hundirse hasta el fondo de forma natural, mientras el bote C flota en el agua.
1. A juzgar por los resultados del experimento: el barco A descarga la mayor cantidad de agua y el barco B descarga la menor cantidad de agua. Según la ley de Arquímedes, sabemos que el barco A tiene la mayor fuerza de flotación, seguido del barco C, y el barco B tiene la menor fuerza de flotación. Aunque el peso del agua descargada por el barco A y el barco B es diferente, debido a que el barco A y el barco B se hundieron hasta el fondo del agua, las mismas partes de ellos están en el mismo plano horizontal y reciben la misma presión. Según el cálculo de la diferencia de presión, las fuerzas de flotación que reciben deben ser iguales.
①¿Cuál es la relación entre la diferencia de presión y la ley de Arquímedes?
②¿Cómo explicar la contradicción entre ellos?
2. Según el experimento sobre la flotación y hundimiento de objetos del capítulo de flotabilidad del libro, sabemos que cuando el agua que descarga un objeto es más pesada que su peso, el objeto flota. Pero el peso del agua descargada por el barco A es mayor que su peso. ¿Por qué el barco A no flota?
3. El agua descargada por el barco C es más pesada que la del barco B, y la fuerza de flotabilidad que recibe también debe ser mayor que la del barco B. Sin embargo, el barco B y el barco A se hunden hasta el mismo fondo, por lo que la fuerza de flotabilidad que reciben es igual debido a la diferencia de presión. El peso del agua descargada por el barco A es mayor que el del barco C. ¿Cuál de los tres barcos A, B y C experimenta la mayor flotabilidad?
Respuesta: Supongamos que los tres barcos A, B y C son exactamente los mismos barcos de hierro sólido. Luego, después de que el barco A se hunde hasta el fondo, el agua entra en la cabina y el desplazamiento final es V = V hierro. El barco B es el mismo. Por lo tanto, la frase "Aunque el peso del agua descargada por el barco A y el barco B es diferente" del título es completamente incorrecta. Un objeto que se hunde en el fondo del agua flotará cuando su peso sea menor que el peso del líquido desplazado. Un objeto flota naturalmente debido a la fuerza de flotación, pero ¿cómo actúa la fuerza de flotación sobre el objeto para hacerlo flotar? Se tiene en cuenta la diferencia de presión: las presiones en los cuatro lados del objeto están equilibradas y se anulan entre sí. Sólo la superficie inferior está sujeta a presión hacia arriba, y de ahí se debe obtener la energía cinética de la flotación. Pero debemos tener en cuenta que esta presión ascendente es generada por la presión del agua, y en la misma superficie del agua, la presión generada por el agua es igual en todas las direcciones. La presión hacia arriba actúa como una fuerza de apoyo y sólo sostiene el objeto. No puede trabajar sobre un objeto para hacerlo flotar.
Dado que la presión sobre la superficie inferior de un objeto no puede generar energía cinética para que el objeto flote, ¿cómo actúa la fuerza de flotación sobre el objeto para hacerlo flotar?
Respuesta: Cuando un objeto flota, la presión de abajo hace un trabajo positivo, lo que aumenta la energía cinética, y la presión de arriba hace un trabajo negativo, lo que disminuye la energía cinética. Y porque la presión de abajo es mayor que la. presión arriba, el trabajo positivo es mayor que el trabajo negativo Entonces la energía cinética total del objeto aumenta. Flotabilidad de objetos irregulares [3] Incluso si la superficie inferior de un objeto irregular está en completo contacto con el fondo del contenedor, su parte irregular seguirá estando sujeta a una fuerza de flotabilidad correspondiente (el tamaño se calcula según la ley de Arquímedes).