Cách Tính Lực Nổi

22/02/2025

Nội dung bài viết

Lực nổi là lực đẩy ngược chiều với trọng lực, tác động lên vật khi nó được nhúng trong chất lưu (lỏng hoặc khí). Khi một vật được đặt trong chất lưu, trọng lượng của nó sẽ tạo áp lực đẩy xuống, trong khi lực nổi đẩy ngược lại, giúp vật nổi lên hoặc duy trì trạng thái cân bằng. Lực nổi có thể được tính bằng công thức F_b = V_s × D × g, trong đó F_b là lực nổi, V_s là thể tích phần chìm, D là khối lượng riêng của chất lưu, và g là gia tốc trọng trường. Để hiểu rõ hơn, hãy bắt đầu với Bước 1 dưới đây.

Các bước thực hiện

Áp dụng công thức tính lực nổi

Xác định thể tích phần chìm của vật. Lực nổi tỷ lệ thuận với thể tích phần chìm của vật. Nghĩa là, phần chìm càng lớn thì lực nổi càng mạnh. Ngay cả khi vật chìm hoàn toàn, lực nổi vẫn tác động lên nó. Để tính lực nổi, bước đầu tiên là xác định thể tích phần chìm của vật trong chất lưu, với đơn vị tính là m³.

Với vật chìm hoàn toàn, thể tích phần chìm bằng thể tích của vật. Với vật nổi, chỉ tính phần thể tích nằm dưới bề mặt chất lưu.
Ví dụ, giả sử ta cần tính lực nổi tác động lên một quả bóng cao su hình cầu đường kính 1 m, nổi với một nửa chìm trong nước. Thể tích quả bóng là (4/3)π(0,5)³ = 0.524 m³. Phần chìm là 0,524/2 = 0,262 m³.

Xác định khối lượng riêng của lưu chất. Để tính lực nổi, bước tiếp theo là tìm khối lượng riêng (đơn vị kg/m³) của chất lỏng bao quanh vật. Khối lượng riêng là tỷ lệ giữa khối lượng và thể tích của vật hoặc chất. Vật có khối lượng riêng cao hơn sẽ nặng hơn khi so sánh cùng thể tích. Lưu chất có khối lượng riêng càng lớn thì lực nổi tác động lên vật càng mạnh. Thông thường, bạn có thể tra cứu khối lượng riêng của lưu chất trong tài liệu tham khảo.

Ví dụ, quả bóng trong bài toán nổi trên nước có khối lượng riêng của nước là 1.000 kg/m³.
Bạn có thể tìm khối lượng riêng của nhiều lưu chất phổ biến tại đây.

Tìm lực hấp dẫn hoặc lực hướng xuống. Dù vật chìm hay nổi, nó luôn chịu tác động của lực hấp dẫn, với giá trị tiêu chuẩn khoảng 9,81 Newton/kilogam. Trong trường hợp có lực khác như lực hướng tâm tác động lên hệ thống, bạn cần tính toán cả lực này để xác định tổng lực hướng xuống.

Trong ví dụ trên, hệ thống tĩnh nên lực hướng xuống duy nhất là lực hấp dẫn tiêu chuẩn — 9,81 Newton/kilogam.

Tính lực nổi bằng cách nhân thể tích, khối lượng riêng và trọng lực. Khi đã có thể tích phần chìm (m³), khối lượng riêng lưu chất (kg/m³), và trọng lực (N/kg), bạn chỉ cần nhân ba giá trị này để tìm lực nổi theo đơn vị Newton.

Áp dụng vào ví dụ: F_b = 0,262 m³ × 1.000 kg/m³ × 9,81 N/kg = 2.570 Newton. Các đơn vị khác triệt tiêu, chỉ còn lại Newton.

So sánh lực nổi và trọng lực để xác định vật nổi hay chìm. Sau khi tính lực nổi, bạn có thể so sánh nó với trọng lực tác động lên vật. Nếu lực nổi lớn hơn trọng lực, vật sẽ nổi; nếu nhỏ hơn, vật sẽ chìm; và nếu bằng nhau, vật sẽ lơ lửng trong chất lỏng.

Ví dụ, một thùng gỗ hình trụ nặng 20 kg, đường kính 0,75 m, cao 1,25 m, có thể tích V = π(0,375)²(1,25) = 0,55 m³. Lực nổi là 0,55 m³ × 1.000 kg/m³ × 9,81 N/kg = 5.395,5 Newton. Trọng lực là (20 kg)(9,81 m/s²) = 196,2 Newton. Vì lực nổi lớn hơn, thùng sẽ nổi.

Áp dụng phương pháp tương tự với lưu chất là chất khí. Lưu chất không chỉ giới hạn ở chất lỏng mà còn bao gồm cả chất khí. Dù khí có khối lượng riêng thấp, chúng vẫn tạo ra lực nổi. Ví dụ, bong bóng khí heli nổi trong không khí vì khí heli nhẹ hơn không khí xung quanh.

Thực hiện thí nghiệm đơn giản về lực nổi

Đặt một bát nhỏ vào bát lớn hơn. Với vài vật dụng đơn giản, bạn có thể quan sát hiệu ứng của lực nổi trong thực tế. Thí nghiệm này minh họa cách một vật khi bị nhấn chìm sẽ chịu lực nổi do chiếm chỗ của lưu chất. Đầu tiên, hãy đặt một vật chứa nhỏ (như bát hoặc cốc) vào một vật chứa lớn hơn (như tô hoặc thùng).

Đổ nước vào vật chứa nhỏ đến sát mép. Hãy đổ nước cẩn thận đến sát mép mà không làm tràn. Nếu nước tràn, bạn cần làm lại từ đầu.

Giả sử nước có khối lượng riêng là 1000 kg/m³. Hầu hết các loại nước đều có khối lượng riêng gần giá trị này, trừ khi bạn dùng nước muối hoặc chất lỏng khác.
Sử dụng ống nhỏ giọt để đổ nước chính xác hơn.

Nhấn chìm một vật nhỏ vào nước. Chọn một vật nhỏ, không thấm nước và xác định khối lượng của nó (theo kg). Từ từ nhấn vật vào nước cho đến khi nó nổi hoặc khó giữ lại, sau đó thả ra. Bạn sẽ thấy nước tràn từ vật chứa nhỏ sang vật chứa lớn.

Ví dụ, nhấn một chiếc xe đồ chơi nặng 0,05 kg vào nước. Không cần biết thể tích của xe vì nó sẽ được xác định ở bước sau.

Thu và đo lượng nước tràn ra. Khi nhấn vật vào nước, nó chiếm chỗ của một lượng nước tương đương, tạo ra lực nổi. Thu nước tràn ra và đổ vào cốc đo. Thể tích nước tràn bằng thể tích phần vật bị nhấn chìm.

Nếu vật nổi, thể tích nước tràn bằng phần chìm của vật. Nếu vật chìm, thể tích nước tràn bằng thể tích toàn bộ vật.

Tính khối lượng nước tràn ra. Với khối lượng riêng của nước và thể tích nước tràn, bạn có thể tính khối lượng nước. Đổi thể tích sang m³ (sử dụng công cụ chuyển đổi trực tuyến như đây) và nhân với khối lượng riêng của nước (1.000 kg/m³).

Ví dụ, nếu xe đồ chơi chiếm chỗ 0,00003 m³ nước, khối lượng nước tràn là 1.000 kg/m³ × 0,00003 m³ = 0,03 kg.

So sánh khối lượng nước bị chiếm chỗ và khối lượng vật. So sánh khối lượng vật với khối lượng nước bị chiếm chỗ. Nếu khối lượng vật lớn hơn, vật sẽ chìm; ngược lại, vật sẽ nổi. Đây là nguyên lý cơ bản của sự nổi — vật nổi phải chiếm chỗ một lượng nước có khối lượng lớn hơn khối lượng của nó.

Vật nhẹ và có thể tích lớn, như ca nô rỗng, nổi tốt vì chúng chiếm nhiều nước mà không quá nặng. Trong ví dụ, xe đồ chơi nặng 0,05 kg lớn hơn khối lượng nước tràn (0,03 kg), nên nó chìm.