¿Cuál es el origen de la fuerza de flotación?

La fuerza de flotación no es como la fuerza normal. La fuerza normal es una fuerza de restricción; Su magnitud es suficiente para evitar que el objetivo de la fuerza penetre en la superficie. La fuerza de flotación, por otro lado, tiene una magnitud igual al peso del fluido desplazado, independientemente de las otras fuerzas que actúan sobre el objetivo.

El origen de la fuerza de flotación es la variación en la presión del fluido con la profundidad. A saber, a medida que profundiza en el fluido, la presión aumenta ya que hay más fluido hacia arriba presionando hacia abajo debido a la fuerza gravitacional. Dado que la presión es mayor en la parte inferior del objeto sumergido que en la parte superior, existe una fuerza neta hacia arriba

Esta explicación puede parecer sospechosa ya que la fuerza de flotación depende solo del volumen del objeto sumergido, no de su grosor. Sin embargo, las matemáticas funcionan. Si hay dos objetos del mismo volumen, pero uno es [matemático] k [/ matemático] veces más grueso que el otro, el diferencial de presión que actúa sobre el primero es [matemático] k [/ matemático] veces mayor, pero la cruz el área de sección debe ser [matemática] k [/ matemática] veces menor, por lo que la fuerza total termina siendo la misma.

Desde su comentario hasta una de las respuestas, parece que tiene problemas para comprender cómo funciona la presión en comparación con la gravedad.

La presión del aire y del agua depende de las fuerzas gravitacionales en el aire, pero de lo contrario podemos tratar la fuerza gravitacional en un objeto por separado de las fuerzas que se producen por la presión sobre las superficies de un objeto.

Primero considere las fuerzas en un globo de helio en el aire. En ausencia de aire, el globo de helio se aceleraría hacia abajo como cualquier otra cosa. La cantidad de fuerza gravitacional sobre el globo y su contenido es igual a la masa del globo multiplicado por 9.8 N / Kg (prefiero usar las unidades N / Kg en este contexto sobre m / s ^ 2 ya que son unidades equivalentes pero el El primero enfatiza que esta fuerza del campo gravitacional es la fuerza por masa).

Dado que tales globos se elevan en el aire, debe haber fuerzas hacia arriba sobre los globos mayores que esta fuerza gravitacional hacia abajo. Quieres saber cómo funciona esto.

El aire se vuelve más denso en altitudes más bajas. La razón de esto es que cada capa de aire empuja hacia abajo las capas debajo de ellas y las comprime un poco. El aire justo debajo de un globo se comprime un poco más que el aire justo encima del globo.

Más compresión a una temperatura dada significa más densidad. Hay más moléculas por unidad de volumen a una temperatura dada por debajo que por encima del globo. La densidad tiende a variar más que la temperatura en la mayoría de las situaciones en distancias pequeñas en el aire.

La temperatura del aire da una indicación de la energía cinética promedio de las moléculas de aire.

Con la temperatura del aire esencialmente igual en todo el globo, la diferencia entre lo que el aire justo encima del globo le está haciendo al globo y lo que está haciendo el aire justo debajo proviene del número diferente de moléculas de aire que golpean el globo en un área determinada.

El aire inferior es más denso que el aire justo arriba, y eso significa que más moléculas de aire rebotan en el fondo del globo por área que rebotan en la parte superior del globo por área en cualquier intervalo de tiempo. Como la temperatura promedio es la misma, el efecto promedio por molécula que colisiona con cualquier parte del globo es el mismo. La diferencia en la fuerza depende del número diferente de moléculas.

Es como si tuviera más personas pequeñas golpeando la parte inferior del globo que usted golpeando la parte superior. El efecto neto es hacia arriba.

Esto funciona igual con la presión del aire que soporta volúmenes de aire. La diferencia en la presión del aire bajo un volumen de aire dado en comparación con la que está por encima del volumen de aire es suficiente para soportar ese volumen de aire. De lo contrario, obtendríamos movimiento de aire vertical todo el tiempo, y eso no sucede.

Pero las moléculas de aire actúan de la misma manera en cualquier cosa de un volumen dado, y eso significa que la fuerza de flotación neta será igual al peso de un volumen de aire igual al volumen del globo.

Todo funciona de la misma manera en agua o cualquier otro fluido.

Entonces podría argumentar que las pequeñas diferencias de densidad en una distancia del orden del tamaño de un globo no pueden importar tanto. Hay dos cosas mal con ese argumento.

La primera es que no estamos hablando de mucha diferencia en las fuerzas. Un globo de helio simplemente no pesa mucho.

El segundo es que la presión del aire cerca de la superficie de la Tierra es mucho mayor de lo que la mayoría de nosotros imaginamos, ya que las presiones internas de nuestras células empujan hacia atrás por igual sin producir ninguna sensación física. Es posible que haya escuchado que esta presión es de aproximadamente 14.7 libras por pulgada cuadrada al nivel del mar. Eso es realmente mucho! ¡La fuerza total producida en un pie cuadrado de superficie a partir de esto al nivel del mar es 14.7 lbs / in ^ 2 veces 12 in x 12 in = 2100 libras!

Imagina un pie cúbico de aire. El peso de esto es de aproximadamente 0.08 libras: ¿Cuál es el peso de 1 pie cúbico de aire?

¡Eso es alrededor del 4 milésimo por ciento de la fuerza en una superficie del cubo! Esa es toda la diferencia en la fuerza de la presión de aire necesaria para soportar el cubo de aire o un objeto equivalente en el aire.

Uno puede pensar en la flotabilidad como la misma fuerza que te permite pararte en el suelo sin hundirte en él. Cuando estás parado en el suelo, la gravedad de la tierra ejerce una fuerza descendente igual a tu peso, y el suelo ofrece una reacción normal de igual magnitud en la dirección ascendente que equilibra tu peso. Ahora, piense en el agua en un vaso lleno, y visualice el agua en la mitad superior como usted, y el agua en la mitad inferior del vaso como el suelo. El peso de la mitad superior del agua está respaldado por la reacción normal, o en este caso, la diferencia de presión creada por el resto del fluido. Usando esta analogía, es muy simple entender el principio de Arquímedes también. La fuerza de flotación ejercida sobre cualquier cuerpo sumergido es igual al peso del fluido desplazado por él, porque este peso se equilibró inicialmente por la diferencia de presión creada por el fluido debajo de él. Fundamentalmente, son las fuerzas intermoleculares y la estructura reticular las que proporcionan a los sólidos y fluidos un cierto grado de resistencia a la compresión. Esta resistencia se exhibe como la tensión de compresión en sólidos y como presión en fluidos.

Deje [math] P [/ math] ser la presión atmosférica. Consideremos una pequeña caja con área de base [matemática] dA [/ matemática] y altura [matemática] dy [/ matemática] colocada a una altura [matemática] y [/ matemática] sobre el suelo. La fuerza neta hacia arriba que actúa sobre la caja debido a la diferencia en la presión atmosférica entre el fondo y la parte superior de la caja es [matemática] P (y) dA-P (y + dy) dA [/ matemática]. [matemática] P (y + dy) = P (y) + \ frac {dP} {dy} dy [/ math], de modo que la fuerza neta hacia arriba en la caja es [matemática] – \ frac {dP} {dy } dAdy = – \ frac {dP} {dy} dV [/ math], [math] dV = dAdy [/ math] es el volumen del cuadro. La presión atmosférica disminuye con el aumento de la altura, de modo que [matemática] \ frac {dP} {dy} <0 [/ matemática]. Entonces, la fuerza neta hacia arriba en la pequeña caja igual a [math] - \ frac {dP} {dy} dV [/ math] es una cantidad positiva y esta fuerza se llama fuerza de flotación.

Gracias por A2A. Grandes respuestas científicas a continuación, así que no veo ninguna razón para repetir la teoría detrás de esto. Por lo tanto, propongo una solución más intuitiva. Si su objeto que experimenta la fuerza de flotación no estaría en el líquido, el nivel del líquido sería ligeramente más bajo. Pero en cambio, aumenta el nivel del líquido a su alrededor, aunque solo sea un poco. A través de la presión, el líquido está tratando de empujar el objeto fuera del agua en la dirección opuesta a la aceleración gravitacional. Si el objeto es más ligero que el agua que reemplaza y que está justo por encima del nivel donde estaría si el objeto no existiera, el objeto es empujado a la superficie y flota. De lo contrario, se hunde. espero que esto ayude

Sí, diría que es causado por moléculas que empujan el objeto hacia arriba. Empujar hacia arriba se debe a la gravedad.

Un área en el agua tiene que contener el peso del agua sobre ella, desde donde introducimos presión. El punto más profundo en el agua, la mayor presión. La presión, por supuesto, proviene de la interacción molécula molécula microscópicamente que contra la gravedad. Sin embargo, si no hay gravedad, las moléculas no se presionarán entre sí con tanta fuerza, y no habrá diferencia de presión en diferentes profundidades.

Cuando un objeto se sumerge en el agua, el lado superior y el lado inferior tienen una diferencia de presión, que empuja el objeto hacia arriba.

Imaginemos un volumen cúbico de agua dentro de una gran piscina llena de agua, el cubo es estático, no importa cuán profundo esté establecido, ¿por qué? Debido a que las fuerzas en todas las caras están equilibradas, la presión promedio en las caras laterales es igual de adentro hacia afuera que de afuera hacia adentro, la diferencia en las presiones en la parte superior e inferior viene dada por la altura del cubo y la gravedad específica del fluido, por lo que el cubo se aprieta verticalmente fuerzas desiguales, más altas en la parte inferior pero la diferencia coincide con el peso del cubo en sí mismo, por lo que no hay movimiento en absoluto.

Supongamos ahora que el cubo está hecho de otra materia, las fuerzas externas tienen la fuerza para mantener en el sitio el cubo de agua (nada cambia afuera) y esa es la flotabilidad que podría elevar el cubo si es de material más ligero o simplemente reducir el peso aparente del cubo. por la cantidad de agua desplazada.

La fuerza de flotación es causada debido a la presión que posee cualquier fluido en la superficie. Esto se debe a que la fuerza del fluido que posee sobre la superficie libera una fuerza igual y opuesta al cuerpo del fluido. Y es más cuando la fuerza es mayor, es decir, cuando la profundidad del fluido es mayor.

Esta fuerza se ve realmente en los objetos flotantes como un bote. En otras palabras, la fuerza de flotación es la fuerza ejercida sobre los objetos por el cuerpo fluido debido a la fuerza de gravedad opuesta.

Vea la figura dada y obsérvela cuidadosamente.

Esto es de lo que hablan los principios de Arquímedes, que a menudo llamamos fuerza de flotación o flotabilidad.

Suponga que tiene una columna de agua en una tubería de 100 m de diámetro y 10 m de longitud llena de agua. ¿Cuál será la presión estática en el fondo de la tubería? Puede calcularla por densidad de fórmula por aceleración de gravedad por altura. Ahora la causa raíz de esta presión no es más que el peso del agua en el fondo de la tubería.

Por lo tanto, si un objeto en virtud de su geometría está construido de tal manera que la presión neta ejercida por ese objeto hacia abajo debido a su peso es igual a la presión estática ejercida por el agua a esa altura (como se discutió anteriormente), el objeto ya no se moverá hacia abajo . Esto sucede porque la presión ejerce presión en dirección opuesta y se equilibra entre sí. En otras palabras, decimos objetos flotantes.

Esta fuerza ascendente que se opone al movimiento del objeto no es más que una fuerza boyante.

La fuerza de flotación en el fluido se experimenta debido a la diferencia de presión en el fluido a diferentes alturas.

En fluidos, la presión aumenta a medida que aumenta la profundidad

Considere un objeto sumergido en un fluido.

La presión en la parte inferior del objeto será mayor que en la parte superior. Por lo tanto, habrá una diferencia de presión, que cuando se multiplica por la sección transversal, da la fuerza de flotación en dirección ascendente.

¡Gravedad! Si se elimina el campo gravitacional, de alguna manera, ¡la flotabilidad dejará de existir!

¡Es debido a la gravedad que se configura un gradiente de presión hidrostática, que es la clave de la flotabilidad! Si no existiera la gravedad, la presión hidrostática en un fluido estático habría sido igual en todo el proceso, y la fuerza integrada en cualquier cuerpo se desvanecería, que no es más que la fuerza debido a que la flotabilidad se vuelve cero.

La fuerza de flotación proviene de la presión del líquido en el que flota un objeto. El componente vertical de la presión empuja hacia arriba y soporta el cuerpo flotante. Si se integran las presiones alrededor del cuerpo, se encuentra que el peso del líquido desplazado es igual al peso del objeto flotante.

Imagina que tuvieras un balancín con un peso de metal en un extremo, y debajo de ese extremo había una balanza. Suponiendo un buen equilibrio, la báscula leería el peso del metal. Ahora imagine tomar un balde de agua y ponerlo del otro lado. El metal es más pesado, por lo que no se eleva, pero se requiere menos fuerza normal para mantener el peso. Por otro lado, si agrega suficiente agua al balde, podría equilibrar el balancín o incluso inclinarlo hacia el otro lado.

Ahora imagine un recipiente con paredes verticales y marcas en los lados, y lleno hasta cierto nivel con agua. Si tomas un pedazo de madera ligero y lo pones, flotará y el nivel del agua aumentará un poco. El peso del agua que se levantó es igual al peso de la madera. Es como un balancín en equilibrio.

Si agrega un peso de metal al contenedor, se hundirá hasta el fondo y el nivel del agua aumentará una cierta cantidad, controlada no por la masa del peso sino por su * volumen. *

La fuerza de flotación es el peso del fluido levantado que empuja hacia abajo sobre el “balancín hidráulico”, tratando de empujar el objeto fuera del camino para que pueda caer nuevamente.

Piénselo de esta manera: las cosas se hunden hasta que flotan. Si un bote pesa 100 toneladas y lo sumerge en el agua, empujará el agua hasta que empuje 100 toneladas de agua. Ya no puede alejarse, porque eso es todo lo que pesa. Si los lados del bote todavía están por encima del agua en ese punto, flota.

Tienes razón en que la presión aquí es el resultado de la gravedad que tira del fluido. Si imagina que su objeto está sumergido en un fluido, puede calcular la presión sobre el objeto sumando todo el peso del fluido sobre él. Ahora mire la parte inferior de su objeto, la presión aquí ahora incluye el peso del fluido por encima de la parte superior y el peso del fluido entre la parte superior y la inferior. Claramente, la parte inferior siente una mayor presión que la parte superior y siente una fuerza hacia arriba.