乔纳森Osbourne

博士学位。马里兰大学
作者发表

乔纳森一个发表作者,最近完成了一本关于物理和应用数学的书。

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浮选

乔纳森Osbourne
乔纳森Osbourne

博士学位。马里兰大学
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乔纳森一个发表作者,最近完成了一本关于物理和应用数学的书。

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浮选时,浮力等于漂浮物的重量,而漂浮物的体积总是大于排开的水的体积。浮选可以用阿基米德原理计算。

好了,我们来谈谈浮选。漂浮是阿基米德原理的一个主要应用它与简单的浮力概念非常不同因为当你在漂浮时,浮力总是等于重量。这是对的,原因很简单,如果一个东西在漂浮,那么它的重量就会被浮力抵消记住浮力是什么,它就是当你试图将固体浸入液体中时液体对固体施加的合力。好的,当我们有一个漂浮的物体它被移动的体积总是小于固体的总体积。因为如果它是相等的,那么固体就会完全浸没在水里我就不能正确地说它是漂浮的,我不可能移动比固体体积更大的体积。我的意思是,固体不会携带空气,如果是的话,那我也会称它为固体的空气部分。

无论如何,移动的体积必须总是小于固体的总体积。浮力问题通常会问1到2个问题。淹没在水中的体积的百分比是多少或者可见的体积的百分比是多少。我们来看一个例题。冰山的体积有多少比例在海水之上可见?好了,现在为了解决这个问题我们将使用我们之前见过的比率的概念但我们可以在这里再推导一次。所以我们说浮力除以重量当然浮力等于重量所以这个比率应该是1,对吧。所以浮力除以重量就是液体的密度,排开的体积乘以重力除以固体的密度。总体积乘以重力。

这给了我们一个非常非常重要的关系我们总是可以用它来描述漂浮的物体只要它是均匀的物质。我们知道液体的密度除以固体的密度等于总体积除以移动的体积。这就意味着体积与体积的比值等于固体密度与液体密度的比值只要把这个东西倒过来就行了。好的,我知道冰的密度是每立方米917千克液体的密度我们继续用海水而不是纯水因为它有一点不同它是1025,好吧。现在这是移位的部分,这是下面的部分。但我不想要下面的部分,我想要上面可见的部分,所以我们会说,好吧,上面可见的部分加上下面不可见的部分,好的,它必须是1。这就意味着,可见体积除以总体积等于1减去固体密度除以流体密度。

如果你把这些数字代入计算器你会得到大约10.6%所以当你驾驶着你的远洋客轮穿过北极循环时,你看到一座冰山,你会说,天哪,那是一座相当大的冰山,你应该记住,有89.4%的冰山是看不到的。好了,有一件事,让我们继续看下一个。我们有一个木筏,2.5米乘1米乘20厘米,好的,这给了我们木筏的体积木筏的重量是30牛顿。现在有一个800牛顿的人他将继续躺在木筏上我想知道当这个人躺在木筏上之后木筏能露出水面多少厘米,对吧?

在那之后,我想知道木筏在不下沉的情况下能承受的最大重量是多少好,让我们看看情况如何。我们有一个800牛顿的人还有一个30牛顿的筏子。这意味着浮力,记住浮力总是等于总重量,它必须。所以这是830牛顿,人的重量加上木筏的重量。好,浮力f总是等于液体的密度乘以排开的体积乘以重力。现在我可以求出移位的体积。移动的体积是830牛顿除以液体的密度我们把它看成是水乘以重力加速度当然重力加速度和往常一样是9.8。所以当我们做这个除法的时候我们会得到0.0847立方米这就是筏子的体积被水排开了或者说排开了水,实际上是在水下,对吧?

但是我们想知道筏子的高度是多少厘米?但我们要除以木筏的横截面积。木筏看起来是这样的,这是1米,这是2.5米这段距离是20厘米。如果我们想知道筏子在水下有多少厘米那么我们就需要取水下的体积除以这个截面积2.5米除以1米。所以我们除以2.5平方米我们会得到高度位移当我们这样做的时候我们得到3.4厘米。因此,高度是可见的,大部分都是可见的当你有一个800牛顿的人躺在上面时筏子在水面上的16.6厘米是可见的。

这个木筏能承受的最大重量是多少?筏子最多会一直向下所以会有20厘米的位移。这意味着我的重量mg必须等于液体的密度乘以筏子的整体体积。因为现在它一直被淹没,因为这是最大的乘以g当然我们可以这样做10的3次方千克每立方米。整个体积等于2.5乘以1乘以我要乘以20,不,记住这是SI单位所以我要用米来表示它是0.2所以它是2.5乘以0.2立方米乘以9.8米/秒的平方。当你把这些都乘出来你会得到4900牛顿。30牛顿是筏子的重量,这意味着4,870牛顿这是一个巨大的重量可以被筏子支撑。好了,这就是问题的解决方法。

现在我想做另一个问题它是对这些事情的工作方式的一个定性的概念。我真的很喜欢这些问题因为它们让你思考但是它们里面没有任何数字。你只需要看看它是如何运作的。假设我们有一个筏子我们要对它做一些不同的事情。我们要拿这个木筏在上面放一个铅球我们要问水面会发生什么变化,如果我们把铅球放在木筏上。铅球的重量增加了筏子的重量,但我们说过浮力必须等于筏子的重量,对吧,它还在浮着。这就意味着这个东西会排开更多的水它会往下走一点。这将导致水位上升一点这是因为木筏现在置换了它自身的重量加上铅球的重量。

好了,现在如果我们拿着这个球把它扔到池底会发生什么?我们想知道现在的水位是上升,下降还是保持不变?现在你可以试着把数字写进去,做所有的这些,那会是很多工作。我们直接来想一下。当铅放在木筏上时,它是一个漂浮物的一部分,这意味着它排开的水量等于它自身的重量。但是现在,当我把这个球扔到池子里,它会一直向下直到池底,现在它只位移了它自己的体积。由于铅的密度大于水的密度,当它排开自身体积时排开的水没有排开自身重量时排开的水多。这意味着当我拿起铅条把它扔进水里时,水位会下降,因为它的排水量没有那么大。好吧这是浮选。

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