Drijfvermogen begrijpen:formule, voorbeelden en dagelijkse toepassingen

Heeft u ooit ervaren dat u zich lichter voelde tijdens het zwemmen in het zwembad of dat een emmer lichter voelde wanneer u water uit een put haalde? Als u dat wel doet, ontstaat er drijfvermogen tijdens die gebeurtenissen. Bij drijfvermogen ervaart een lichaam, wanneer het wordt ondergedompeld in water of een andere vloeistofbron, een kracht vanuit de neerwaartse richting tegengesteld aan de richting van de zwaartekracht.

Dit is de reden waarom we een afname van het gewicht ervaren wanneer dit gebeurt. Dit kan ook de reden zijn waarom naalden zinken en plastic flessen blijven drijven, ongeacht het gewicht.

Welnu, in deze lezing zullen we onderzoeken wat drijfvermogen is, het diagram, de toepassingen, het doel, de oorzaken, de typen en hoe drijfvermogen wordt bereikt. Je leert ook de dichtheid en de daarmee samenhangende dichtheid kennen en waarom voorwerpen in water drijven of zinken

Laten we beginnen!

Ontdek hoe kracht de bewegingstoestand verandert met deze gedetailleerde gids!

Drijfvermogen, of opwaartse kracht, is een opwaartse kracht die wordt uitgeoefend door een vloeistof die het gewicht van een gedeeltelijk of volledig ondergedompeld voorwerp tegenwerkt. Er wordt ook gezegd dat het de kracht is die ervoor zorgt dat objecten gaan zweven. Drijfvermogen ontstaat wanneer er drukverschillen optreden op weerszijden van een voorwerp dat is ondergedompeld in een statische vloeistof.

Het wordt ook wel drijfkracht genoemd omdat drijfvermogen het fenomeen is dat wordt veroorzaakt door drijfkracht. In een vloeistofkolom neemt de druk toe met de diepte als gevolg van het gewicht van de bovenliggende vloeistof. Daarom is de druk aan de onderkant van een vloeistofkolom groter dan die aan de bovenkant van de kolom.

Op dezelfde manier is de druk aan de onderkant van een object dat in een vloeistof is ondergedompeld groter dan die aan de bovenkant van het object. Dit drukverschil resulteert in een netto opwaartse kracht op het object.

Het principe van Archimedes legde ook uit dat de grootte van de kracht evenredig is met het drukverschil en gelijk is aan het gewicht van de vloeistof die anders de vloeistof zou verplaatsen; de kracht kan het object drijvend houden. Dit is de reden waarom een object waarvan de gemiddelde dichtheid groter is dan die van de vloeistof waarin het is ondergedompeld, de neiging heeft te zinken.

Maar als het object een lagere dichtheid heeft dan de vloeistof, kan de kracht het object drijvend houden. Dit zal alleen gebeuren in een niet-traagheidsreferentieframe dat een zwaartekrachtveld heeft of versnelt als gevolg van een andere kracht dan de zwaartekracht. Dit definieert een “neerwaartse” richting.

De eenheid van een opwaartse kracht is de Newton (N)

Het drijfvermogen kan dus worden gedefinieerd als de opwaartse kracht die door de vloeistof op het object of het lichaam wordt uitgeoefend wanneer een object in de vloeistof wordt geplaatst of ondergedompeld.

Het centrum van het drijfvermogen van een object is het zwaartepunt van het verplaatste vloeistofvolume. Het is het punt op het object waar de kracht inwerkt of het punt waar de drijfkracht wordt uitgeoefend. De kracht van het drijfvermogen is verticaal, dus het centrum van het drijfvermogen is het punt gelegen op het zwaartepunt van de vloeistof die wordt verplaatst door het ondergedompelde object.

Je zou ook meer moeten leren over vloeistofmechanica met deze gedetailleerde gids!

Toepassingen

De toepassing van drijfvermogen is zo groot omdat het objecten in water drijvend kan houden, iets waar wij mensen niet zonder kunnen. Drijfvermogen wordt gebruikt in onderzeeërs en heteluchtballonnen; zelfs vissen en zwemmers gebruiken hetzelfde principe. Hieronder staan enkele toepassingen van drijfvermogen in de echte wereld.

• Heteluchtballon: Omdat de atmosfeer lucht bevat die een drijvende kracht op elk object uitoefent. Een ballon met hete lucht zal drijven door de opwaartse kracht, hij zal dalen wanneer het gewicht van de ballon hoger is dan de opwaartse kracht. Dit komt omdat de ballon stilstaat wanneer het gewicht gelijk is aan de opwaartse kracht.
• Onderzeeër: Onderzeeërs maken goed gebruik van het principe van drijfvermogen. Een onderzeeër heeft een grote ballasttank die wordt gebruikt om zijn positie en diepte vanaf het zeeoppervlak te controleren. In onderzeeërs mag water de ballasttank binnendringen, zodat het gewicht groter wordt dan de drijvende kracht.
• Schip: Schepen kunnen op het zeeoppervlak drijven omdat het watervolume dat door het schip wordt verplaatst voldoende is om een gewicht te hebben dat gelijk is aan het gewicht van het schip. Schepen zijn zo geconstrueerd dat ze holle vormen hebben, waardoor de totale dichtheid van een schip kleiner is dan die van het zeewater. Daarom is de drijvende kracht die op het schip inwerkt groot genoeg om het gewicht te dragen.
• Vis: Zoals eerder vermeld, gebruiken sommige bepaalde groepen vissen en zwemmers ook het principe van Archimedes om zich in het water op en neer te bewegen. Om naar het wateroppervlak te gaan, vullen de vissen hun zwemblaas (luchtzakjes) met gassen. Deze gassen diffunderen vanuit hun eigen lichaam naar de blaas, waardoor hun lichaam lichter wordt en de vissen omhoog kunnen gaan.

Formule

De formule voor drijfvermogen (ook bekend als het principe van Archimedes ) is

Drijfkracht (Fb)=ρ⋅V⋅g\text{Drijvende kracht (} F_b \text{)} =\rho \cdot V \cdot g

Waar:

• FbF_b =Drijvende kracht (in newton, N)

• ρ\rho =Dichtheid van de vloeistof (in kg/m³)

• VV =Volume van de verplaatste vloeistof (in m³)

• gg =Versnelling door zwaartekracht (≈ 9,81 m/s²)

Voorbeeld:

Als een object 0,5 m³ verplaatst van water (dichtheid =1000 kg/m³), de opwaartse kracht is:

Fb=1000⋅0,5⋅9,81=4905 NF_b =1000 \cdot 0,5 \cdot 9,81 =4905 \, \text{N}

Dit betekent dat het water een opwaartse kracht uitoefent van 4905 Newton op het object.

Leer meer over beperkte beweging met deze gedetailleerde gids!

Oorzaken en voorbeelden van drijfvermogen

Het is verplicht om te weten dat het drijfvermogen wordt veroorzaakt door de druk die wordt uitgeoefend door de vloeistof waarin het object is ondergedompeld. Ook is de drijvende kracht die het object ondervindt altijd naar boven gericht. Dit komt omdat de druk van de vloeistof toeneemt met de diepte. Enkele voorbeelden van drijfvermogen zijn onder meer:

• Een boot of een schip dat in het water drijft
• Een kurk die in water wordt ondergedompeld, zal door zijn drijfvermogen gaan drijven.
• Zwemmers zijn goede voorbeelden van drijfvermogen.
• Een boot die op het water drijft – Het gewicht van de boot wordt in evenwicht gehouden door de opwaartse drijvende kracht van het water.
• Een heteluchtballon die in de lucht opstijgt:warme lucht in de ballon heeft een lagere dichtheid dan koelere lucht buiten, waardoor drijfvermogen ontstaat.
• IJsberg drijft in de oceaan – IJs heeft een lagere dichtheid dan zeewater en blijft dus drijven.
• Een zwemmer die op zijn rug drijft – Het menselijk lichaam kan drijven dankzij lucht in de longen en lichaamsvet, dat minder dicht is dan water.
• Een stuk hout dat in een rivier drijft – Hout heeft een lagere dichtheid dan water, dus het blijft drijven.
• Een badeend die in een badkuip drijft – De eend drijft dankzij zijn holle, lichtgewicht ontwerp.
• Een reddingsvest dat iemand drijvend houdt – Reddingsvesten houden lucht vast en vergroten het algehele drijfvermogen.
• Een olielek dat op zeewater drijft – Olie heeft een lagere dichtheid dan water, waardoor het blijft drijven.
• Een heliumballon die in de lucht stijgt – Helium is lichter dan lucht, waardoor de ballon drijft.
• Een vis die zijn diepte aanpast met behulp van een zwemblaas. De vis regelt het drijfvermogen door het gasvolume in zijn zwemblaas te veranderen.
• Een onderzeeër die drijft of duikt door ballasttanks aan te passen. Onderzeeërs regelen het drijfvermogen met behulp van lucht en water in hun tanks.
• Een strandbal die op de golven van de oceaan dobbert. Hij is gevuld met lucht en verplaatst voldoende water om te blijven drijven.
• Een vrachtschip dat drijft terwijl het zware containers vervoert. Ondanks de lading verplaatst de romp voldoende water om drijvend te blijven.
• Een verzegelde lege fles die in een meer drijft. De lucht erin houdt hem drijvend.
• De klodders van een lavalamp stijgen en dalen – Het drijfvermogen verandert door verwarming en afkoeling van de wasklodders.
• Een papieren bootje dat in een plas drijft – De lichtgewicht papierstructuur verplaatst voldoende water om (tijdelijk) te blijven drijven.
• Drijvende lantaarns tijdens festivals – Door de warme lucht binnenin blijven ze drijven in de koelere omringende lucht.
• Een plastic container die drijft wanneer deze in een zwembad wordt gegooid. De container heeft een lagere dichtheid dan water.
• Luchtbellen stijgen naar het oppervlak van frisdrank – Bellen zijn lichter dan de vloeistof, dus het drijfvermogen duwt ze omhoog.
• Een binnenband die in een rivier drijft. Gevuld met lucht, verplaatst hij voldoende water om het gewicht te dragen en te blijven drijven.

Soorten drijfvermogen

Hieronder staan de verschillende soorten drijfvermogen. De drie soorten drijfvermogen zijn positief, negatief en neutraal drijfvermogen.

Positieve vormen van drijfvermogen treden op wanneer het ondergedompelde object lichter is dan de verplaatste vloeistof. Hierdoor blijft het object drijven. Van negatief drijfvermogen is sprake wanneer het ondergedompelde object een grotere dichtheid heeft dan de verplaatste vloeistof, waardoor het object zinkt.

Ten slotte treden neutrale vormen van drijfvermogen op wanneer het gewicht van het ondergedompelde object gelijk is aan de verplaatste vloeistof. Hieronder staan de factoren die van invloed kunnen zijn op de verschillende soorten drijfvermogen.

• De dichtheid van de vloeistof.
• Het volume van de verplaatste vloeistof kan ook het drijfvermogen beïnvloeden. Tenslotte
• De lokale versnelling als gevolg van de zwaartekracht.

Factoren die de opwaartse kracht niet beïnvloeden zijn onder meer de dichtheid van het ondergedompelde object en de massa van het ondergedompelde object is ook een factor.

Dichtheid en relatieve dichtheid

Om het concept van drijfvermogen te begrijpen, moet men het concept van dichtheid en relatieve dichtheid goed begrijpen.

De dichtheid van materialen kan worden gedefinieerd als hun massa per volume-eenheid. Het is een meting van hoe dicht materie op elkaar is gepakt. Het wordt numeriek gedefinieerd als:

Dichtheid, ρ=MassVolume=MV

• De SI-eenheid van dichtheid wordt gemeten in kilogram per kubieke meter (kg/m3).
• De dichtheid is 0,9584 gram per kubieke centimeter bij 100° Celsius.

De relatieve dichtheid van een stof wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de dichtheid van de stof en de dichtheid van water bij C. Het wordt ook wel het soortelijk gewicht van een stof genoemd.
Relatieve dichtheid =dichtheid van een stof/dichtheid van water bij 4°C

Omdat de relatieve dichtheid een verhouding is van vergelijkbare grootheden, heeft deze geen eenheid.

Je kunt ook meer leren over vloeistoffen met deze gedetailleerde gids!

Waarom drijven of zinken voorwerpen in water

De reden waarom objecten in water drijven of zinken kan worden overwogen als je je voorstelt dat water uit bovenliggende lagen bestaat. Dat is de een over de ander met wisselende druk. De druk aan de onderkant van de vloeistof is groter dan die aan de bovenkant, waardoor we in sommige lagen in de vloeistof zinken. Deze lagen hebben de neiging groter te worden naarmate het object zinkt.

Met het drukverschil in de vloeistoflagen wordt een opgebouwde kracht in opwaartse richting uitgeoefend. Deze kracht resulteert in de versnelling van het ondergedompelde object in opwaartse richting. De kracht is altijd in verticale richting.

Met andere woorden, er kan ook worden gezegd dat de grootte van de opwaartse kracht in principe gelijk is aan het verschil in druk van de bovenste. De laatste laag is ook gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof.

De consequentie van het bovenstaande concept is wat we zwevend noemen. Het object moet minder dicht zijn dan het water; anders zal een grotere dichtheid resulteren in het zinken van het object.

Conclusie

Drijfvermogen is de opwaartse kracht die wordt uitgeoefend door een vloeistof die het gewicht van een daarin ondergedompeld voorwerp tegenwerkt. Dit fundamentele principe verklaart waarom objecten drijven of zinken en speelt een cruciale rol in vloeistofmechanica, scheepsbouw, luchtvaart en zelfs weersystemen.

Volgens het principe van Archimedes hangt het drijfvermogen af van het gewicht van de verplaatste vloeistof en de dichtheid van het object. Het begrijpen van het drijfvermogen helpt bij het ontwerpen van drijvende constructies, het voorspellen van vloeistofgedrag en het oplossen van technische en wetenschappelijke problemen in de echte wereld.

Veelgestelde vragen over drijfvermogen

Wat is drijfvermogen?

Het drijfvermogen is de opwaartse kracht die wordt uitgeoefend door een vloeistof (vloeistof of gas) die het gewicht ondersteunt van een voorwerp dat daarin is ondergedompeld.

Wat bepaalt of een object drijft of zinkt?

Als de dichtheid van het object kleiner is dan de dichtheid van de vloeistof, drijft het; als het meer is, zinkt het.

Wat is het principe van Archimedes?

Er wordt gesteld dat de drijvende kracht op een voorwerp onder water gelijk is aan het gewicht van de vloeistof die het verplaatst.

Is drijfvermogen ook van toepassing op gassen?

Ja, drijfvermogen is van toepassing op zowel vloeistoffen als gassen, bijvoorbeeld hoe heteluchtballonnen in de atmosfeer opstijgen.

Kan het drijfvermogen negatief zijn?

Ja. Wanneer het gewicht van het object de opwaartse kracht overschrijdt, heeft het een negatief drijfvermogen en zinkt het.

Waarom drijven schepen van staal?

Hoewel staal compact is, zijn schepen ontworpen met holle vormen die voldoende water verplaatsen om een drijvende kracht te creëren die groter is dan hun gewicht.

https://studentlesson.com/buoyancy-definition-applications-purpose-causes-types/