Cách tính lực nâng trong chất lỏng và không khí

Trong lĩnh vực vật lý, công thức tính lực nâng đóng vai trò quan trọng, giúp chúng ta hiểu tại sao một vật thể có thể nổi lên trong một chất lỏng hoặc khí. Bài viết này sẽ giúp bạn tìm hiểu cách tính lực nâng, cách sử dụng công thức và áp dụng vào những ví dụ cụ thể.

Bạn đang xem: Cách tính lực nâng trong chất lỏng và không khí

1. Công thức tính lực nâng

1.1. Công thức tính

Lực nâng xuất hiện khi một vật thể nổi lên trong một chất lỏng hoặc khí, như nước, không khí và các chất khác. Công thức để tính lực nâng phụ thuộc vào loại chất lỏng hoặc khí mà vật thể nổi lên trong đó. Dưới đây là các công thức cơ bản:

1.1.1. Lực nâng trong chất lỏng:

Lực nâng trong chất lỏng được tính bằng công thức Archimedes:

Lực nâng (F) = Trọng lượng của chất lỏng được đẩy lên bởi vật thể
F = ρ * V * g

Trong đó:

• F là lực nâng (N)
• ρ (rho) là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³)
• V là thể tích của vật thể (m³)
• g là gia tốc trọng trường (đặc biệt tại bề mặt trái đất, g ≈ 9.81 m/s²)

1.1.2. Lực nâng trong khí (môi trường không khí):

Lực nâng trong không khí cũng được tính dựa trên công thức Archimedes:

Lực nâng (F) = Trọng lượng của không khí được đẩy lên bởi vật thể
F = ρ * V * g

Trong trường hợp này:

• F là lực nâng (N)
• ρ (rho) là khối lượng riêng của không khí (thường được coi là khoảng 1.225 kg/m³ ở điều kiện tiêu chuẩn)
• V là thể tích của vật thể (m³)
• g là gia tốc trọng trường (đặc biệt tại bề mặt trái đất, g ≈ 9.81 m/s²)

1.2. Ví dụ về công thức tính lực nâng

Ví dụ: Bạn có một khối hộp bằng kim loại có kích thước 0.2 m x 0.2 m x 0.2 m (thể tích V) và khối lượng riêng của nước (ρ) là khoảng 1000 kg/m³. Bạn muốn tính lực nâng mà nước đẩy lên khối hộp này khi nó nằm dưới nước.

Xác định các thông số:

• Thể tích của khối hộp (V) = 0.2 m x 0.2 m x 0.2 m = 0.008 m³
• Khối lượng riêng của nước (ρ) = 1000 kg/m³ (điều này là giá trị chuẩn cho nước)
• Gia tốc trọng trường (g) = 9.81 m/s² (đối với bề mặt trái đất)

Sử dụng công thức lực nâng:

F = ρ * V * g

Thay các giá trị vào công thức:

F = 1000 kg/m³ * 0.008 m³ * 9.81 m/s²

Tính toán lực nâng:

F ≈ 78.48 N

Vậy, lực nâng mà nước đẩy lên khối hộp kim loại trong ví dụ này là khoảng 78.48 newton (N). Lưu ý rằng lực nâng luôn đối lập với trọng lực, nên trong trường hợp này, lực nâng đủ lớn để giữ cho khối hộp nổi lên trong nước mà không bị chìm.

2. Lưu ý khi làm công thức tính lực nâng

• Đơn vị của các thông số: Đảm bảo rằng tất cả các thông số được sử dụng trong công thức (khối lượng riêng, thể tích, gia tốc trọng trường) phải có cùng đơn vị. Thông thường, đơn vị dùng cho khối lượng riêng là kg/m³, thể tích là m³, và gia tốc trọng trường là m/s².
• Hướng lực nâng: Lực nâng luôn đối lập với trọng lực. Nếu vật thể nhẹ hơn chất lỏng hoặc khí mà nó nằm trong, thì lực nâng sẽ đẩy vật thể lên trên. Nếu vật thể nặng hơn chất lỏng hoặc khí, thì lực nâng sẽ đẩy vật thể lên từ dưới đáy lên mặt nước hoặc mặt của chất lỏng đó.
• Đặt dấu trừ (-) cho lực nâng đối với trọng lực nếu cần thiết: Khi bạn tính toán lực nâng cho một vật thể nổi lên trong một chất lỏng hoặc khí, nếu lực nâng và trọng lực đối lập nhau, hãy xem xét đặt dấu trừ cho lực nâng để thể hiện hướng của lực nâng.
• Sử dụng giá trị chính xác của khối lượng riêng: Đối với chất lỏng như nước, khối lượng riêng thường có giá trị chuẩn (rho của nước là 1000 kg/m³). Tuy nhiên, đối với các chất khác, bạn cần tìm giá trị khối lượng riêng chính xác.
• Kiểm tra kết quả với thực tế: Khi bạn tính lực nâng, hãy kiểm tra kết quả với tình huống thực tế để đảm bảo tính toán của bạn hợp lý.

3. Một số bài tập tính có lời giải về công thức tính lực nâng

Bài tập 1:

Bạn có một quả cầu thủy tinh có bán kính 0.1 m được ngâm trong nước. Tính lực nâng mà nước đẩy lên quả cầu thủy tinh.

Lời giải:

Xác định thông số:

• Bán kính của quả cầu (r) = 0.1 m
• Khối lượng riêng của nước (ρ) = 1000 kg/m³ (điều này là giá trị chuẩn cho nước)
• Gia tốc trọng trường (g) = 9.81 m/s²

Sử dụng công thức tính lực nâng:

F = ρ * V * g

Thể tích của quả cầu được tính bằng công thức thể tích quả cầu: V = (4/3) π r³
Thay các giá trị vào công thức:

F = 1000 kg/m³ * [(4/3) * π * (0.1 m)³] * 9.81 m/s²

Tính toán lực nâng:

F ≈ 412.42 N

Bài tập 2:

Bạn có một tảng bê tông có kích thước 1 m x 1 m x 0.2 m được đặt trong nước. Tính lực nâng mà nước đẩy lên tảng bê tông.

Lời giải:

Xác định thông số:

• Kích thước của tảng (chiều dài x chiều rộng x chiều cao) = 1 m x 1 m x 0.2 m = 0.2 m³
• Khối lượng riêng của nước (ρ) = 1000 kg/m³
• Gia tốc trọng trường (g) = 9.81 m/s²

Sử dụng công thức tính lực nâng:

F = ρ * V * g

Thay các giá trị vào công thức:

F = 1000 kg/m³ * 0.2 m³ * 9.81 m/s²

Tính toán lực nâng:

F ≈ 1962.0 N

Bài tập 3:

Bạn có một khối gỗ hình hộp chữ nhật với kích thước 0.5 m x 0.3 m x 0.2 m và khối lượng riêng của gỗ là 700 kg/m³. Tính lực nâng khi bạn đặt khối gỗ này dưới nước.

Lời giải:

Xác định thông số:

• Kích thước của khối gỗ (chiều dài x chiều rộng x chiều cao) = 0.5 m x 0.3 m x 0.2 m = 0.03 m³
• Khối lượng riêng của nước (ρ) = 1000 kg/m³
• Khối lượng riêng của gỗ (ρ_gỗ) = 700 kg/m³
• Gia tốc trọng trường (g) = 9.81 m/s²

Sử dụng công thức tính lực nâng:

F = (ρ_wood - ρ_water) * V * g

Thay các giá trị vào công thức:

F = (700 kg/m³ - 1000 kg/m³) * 0.03 m³ * 9.81 m/s²

Tính toán lực nâng:

F ≈ -88.23 N

Bằng cách sử dụng công thức tính lực nâng, chúng ta có thể tính toán lực nâng một cách chính xác, giúp thiết kế và xây dựng các cấu trúc và thiết bị hoạt động hiệu quả và an toàn trong môi trường chất lỏng và khí.

Nguồn: https://izumi.edu.vn/
Danh mục: Công thức