เครื่องคำนวณแรงลอยตัว

เครื่องคำนวณแรงลอยตัว ทำหน้าที่คำนวณ แรงลอยตัว ที่กระทำต่อวัตถุ และบอกให้คุณทราบได้ในทันทีว่าวัตถุนั้นจะ ลอย จม หรือลอยตัวนิ่ง ในของไหล โดยอ้างอิงตาม หลักการของอาร์คิมิดีส เพียงป้อนข้อมูลของไหล ปริมาตรและมวลของวัตถุ เครื่องมือนี้จะแสดงค่าแรงลอยตัว ความหนาแน่นของวัตถุ สัดส่วนการจมที่แม่นยำ น้ำหนักปรากฏ (ใต้น้ำ) และน้ำหนักบรรทุกส่วนเกินที่วัตถุที่ลอยอยู่ยังคงรับเพิ่มได้ พร้อมแสดงผลบนแผนภาพถังลอย/จมแบบเคลื่อนไหว

แรงลอยตัวคืออะไร?

แรงลอยตัว คือแรงดันในทิศทางขึ้นที่ของไหลกระทำต่อวัตถุใดๆ ที่วางอยู่ในของไหลนั้น แรงดันขึ้นนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความดันจะเพิ่มขึ้นตามความลึก โดยส่วนล่างของวัตถุที่จมอยู่จะสัมผัสกับของไหลที่มีความดันสูงกว่าส่วนบน และผลต่างของความดันนี้จะทำให้เกิดแรงลัพธ์ในทิศทางขึ้น การที่วัตถุจะลอยขึ้นหรือจมลงจึงเป็นการต่อสู้กันระหว่างแรงลอยตัวนี้กับน้ำหนักของวัตถุเอง

หลักการของอาร์คิมิดีส

หลักการของอาร์คิมิดีส ระบุว่า แรงลอยตัวที่กระทำต่อวัตถุจะเท่ากับน้ำหนักของของไหลที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่ เขียนเป็นสัญลักษณ์ได้ดังนี้:

โดยที่ \( \rho_{fluid} \) คือความหนาแน่นของของไหล (kg/m³), \( V_{displaced} \) คือปริมาตรของของไหลที่ถูกดันออกไป (m³) และ \( g \) คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (9.81 m/s² บนโลก) เมื่อวัตถุจมอยู่ใต้น้ำทั้งหมด ปริมาตรที่ถูกแทนที่จะเท่ากับปริมาตรของวัตถุนั้นเอง

วัตถุจะลอยหรือจม?

คำตัดสินจะขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบความหนาแน่นเพียงอย่างเดียว เนื่องจากปริมาตรและแรงโน้มถ่วงจะปรากฏอยู่ทั้งสองข้างของสมดุลแรงและตัดกันไปได้:

• ลอย — ความหนาแน่นของวัตถุ น้อยกว่า ความหนาแน่นของของไหล (\( \rho_{obj} < \rho_{fluid} \))
• จม — ความหนาแน่นของวัตถุ มากกว่า ความหนาแน่นของของไหล (\( \rho_{obj} > \rho_{fluid} \))
• ลอยตัวเป็นกลาง — ความหนาแน่นเท่ากัน วัตถุจึงลอยนิ่งอยู่ที่ระดับความลึกใดก็ได้

นี่คือเหตุผลที่ภูเขาน้ำแข็งซ่อนตัวอยู่ใต้ผิวน้ำประมาณ 90% เนื่องจากน้ำแข็ง (≈917 kg/m³) มีความหนาแน่นประมาณ 92% ของน้ำทะเล (≈1025 kg/m³)

น้ำหนักปรากฏใต้น้ำ

วัตถุที่จมอยู่จะรู้สึกเบาลงเนื่องจากแรงลอยตัวช่วยพยุงน้ำหนักส่วนหนึ่งเอาไว้ ค่าที่ตาชั่งอ่านได้ใต้น้ำคือ น้ำหนักปรากฏ:

นี่คือผลกระทบแบบเดียวกันกับที่อาร์คิมิดีสใช้ในการทดสอบว่ามงกุฎของพระราชาเป็นทองคำบริสุทธิ์หรือไม่ โดยมงกุฎทองคำและมงกุฎเงินผสมที่มีมวลเท่ากัน จะแทนที่ปริมาตรน้ำไม่เท่ากัน จึงสูญเสียน้ำหนักปรากฏไปไม่เท่ากัน

ความหนาแน่นทั่วไป

สิ่งที่มีผลต่อแรงลอยตัว?

วิธีใช้งานเครื่องคำนวณนี้

1. เลือกของไหล: เลือกจากค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เช่น น้ำจืด น้ำทะเล หรือน้ำมัน หรือพิมพ์ความหนาแน่นของของไหลที่กำหนดเองในหน่วย kg/m³
2. ป้อนข้อมูลวัตถุ: พิมพ์ปริมาตรและมวลของวัตถุ แล้วเลือกหน่วยสำหรับแต่ละค่า (cm³, ลิตร, kg, lb และอื่นๆ)
3. ตั้งค่าแรงโน้มถ่วง (ไม่บังคับ): คงค่าแรงโน้มถ่วงของโลกที่ 9.81 m/s² หรือเปลี่ยนเป็นดวงจันทร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี หรือดาวศุกร์
4. คลิกคำนวณ: เพื่อดูคำตัดสินว่าลอยหรือจม แรงลอยตัว สัดส่วนการจม แรงลอยตัวสำรอง และติดตามขั้นตอนการคำนวณบนแผนภาพถังแบบเคลื่อนไหว

คำถามที่พบบ่อย

แรงลอยตัวคืออะไร?

แรงลอยตัวคือแรงดันขึ้นที่ของไหลกระทำต่อวัตถุใดๆ ที่วางอยู่ในนั้น ตามหลักการของอาร์คิมิดีส แรงนี้จะเท่ากับน้ำหนักของของไหลที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่ โดยคำนวณจาก แรงลอยตัว = ความหนาแน่นของของไหล × ปริมาตรส่วนที่แทนที่ × ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง

ฉันจะรู้ได้อย่างไรว่าวัตถุจะลอยหรือจม?

เปรียบเทียบความหนาแน่น หากวัตถุมีความหนาแน่นน้อยกว่าของไหล วัตถุจะลอย หากหนาแน่นกว่าจะจม และหากความหนาแน่นเท่ากัน วัตถุจะลอยตัวเป็นกลางและลอยนิ่งอยู่ที่ระดับความลึกใดก็ได้ ปริมาตรและแรงโน้มถ่วงจะตัดกันไป ดังนั้นความหนาแน่นเท่านั้นที่เป็นตัวตัดสิน

แรงลอยตัวคำนวณอย่างไร?

แรงลอยตัว F_b = ρ × V × g โดยที่ ρ คือความหนาแน่นของของไหลในหน่วย kg/m³, V คือปริมาตรส่วนที่จมในหน่วย m³ และ g คือแรงโน้มถ่วงในหน่วย m/s² เมื่อวัตถุจมอยู่ใต้น้ำทั้งหมด V คือปริมาตรทั้งหมดของวัตถุ เมื่อมันลอย มันจะแทนที่ของไหลเพียงพอที่จะเท่ากับน้ำหนักของมันเองเท่านั้น

วัตถุที่ลอยอยู่มีสัดส่วนเท่าใดที่อยู่ใต้น้ำ?

สัดส่วนการจมเท่ากับความหนาแน่นของวัตถุหารด้วยความหนาแน่นของของไหล น้ำแข็งมีความหนาแน่นประมาณ 917 kg/m³ และน้ำประมาณ 1000 kg/m³ ดังนั้นภูเขาน้ำแข็งประมาณ 92 เปอร์เซ็นต์จึงอยู่ใต้ผิวน้ำ และมีเพียง 8 เปอร์เซ็นต์เท่านั้นที่โผล่พ้นน้ำ

น้ำหนักปรากฏใต้น้ำคืออะไร?

น้ำหนักปรากฏคือค่าที่ตาชั่งอ่านได้เมื่อวัตถุจมอยู่ใต้น้ำ มันเท่ากับน้ำหนักจริงของวัตถุหักด้วยแรงลอยตัว นี่คือเหตุผลที่วัตถุหนักรู้สึกเบาลงเมื่ออยู่ใต้น้ำ และเป็นผลกระทบที่อาร์คิมิดีสใช้ในการทดสอบมงกุฎทองคำของพระราชา

แรงโน้มถ่วงทำให้การลอยหรือจมเปลี่ยนไปหรือไม่?

ไม่ ทั้งน้ำหนักและแรงลอยตัวจะเปลี่ยนไปตามสัดส่วนของแรงโน้มถ่วง ดังนั้นคำตัดสินว่าลอยหรือจมจึงเหมือนกันทุกประการบนดวงจันทร์ ดาวอังคาร หรือโลก มีเพียงขนาดของแรงเท่านั้นที่เปลี่ยนไป ซึ่งเป็นเหตุผลที่เครื่องคำนวณนี้ช่วยให้คุณเปลี่ยนแรงโน้มถ่วงเพื่อดูแรงบนดาวดวงอื่นได้

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

• แรงลอยตัว - Wikipedia
• หลักการของอาร์คิมิดีส - Wikipedia