ชุดแรงลอยตัว

วัตถุประสงค์

เพื่อศึกษาเกี่ยวกับหลักของอาร์คิมิดีสหรือแรงลอยตัว

ทฤษฎี

อาร์คิมิดีส กล่าวว่า วัตถุใด ๆ ที่จมอยู่ในของไหลทั้งก้อนหรือจมเพียงบางส่วนจะถูกแรงลอยตัวกระทำและขนาดของแรงลอยตัวนั้นจะมีค่าเท่ากับนํ้าหนักของของไหลที่ถูกวัตถุแทนที่ ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ว่า

FB = mg (1)

เมื่อ FB คือ แรงลอยตัว หรือ Buoyant force (N)
m คือ มวลของวัตถุ (kg)
g คือ ความเร่งโน้มถ่วงของโลก มีค่าเท่ากับ 9.8 หรือ 10 m/s2

ดังนั้นแรงลอยตัวจะขึ้นกับความหนาแน่นของของไหลนั้นและปริมาตรของวัตถุส่วนที่จม
จาก m = ρV (2)

เมื่อ V คือ ปริมาตรส่วนที่จม (m3)
จะได้ว่า FB = ρVg ( 3)

รูปที่ 1 ลักษณะการจมของวัตถุที่มีความหนาแน่นต่างกัน

รูปที่ 2 ภาพเปรียบเทียบการชั่งวัตถุในอากาศและในของเหลว

จากภาพที่ 2(a) เมื่อชั่งวัตถุในอากาศ ค่าที่อ่านได้จะเป็นแรงดึง Ta = mg และจากภาพที่ 2(b) เมื่อชั่งวัตถุในของเหลวจะสังเกตได้ว่าค่าของแรงที่อ่านได้จะน้อยกว่าการชั่งวัตถุในอากาศ เนื่องจากของเหลวมีแรงกระทำต่อวัตถุกล่าวคือแรงพยุงหรือแรงลอยตัว โดยค่าที่อ่านได้นั่นคือ Tb = mg - FB ซึ่งจะทำให้สามารถคำนวณหาค่าแรงลอยตัวของวัตถุในของเหลวนี้ได้ นอกจากนี้จากภาพที่ 2(b) หากของเหลวนั้นถูกใส่ไว้ในถ้วยยูเรก้า เมื่อใส่มวล m ลงไป ทำให้มวลนั้นจมหรือเกิดการแทนที่ในของเหลวทำให้ล้นออกจากถ้วยยูเรก้า โดยของเหลวที่ถูกแทนที่นี้จะมีนํ้าหนักเท่ากับขนาดของแรงลอยตัว

อุปกรณ์การทดลอง

1. ขาตั้งและข้อต่อ
2. เครื่องชั่งสปริงพลาสติกใส 250 กรัม และ 500 กรัม
3. ที่แขวนลูกตุ้มหนัก 100 กรัม
4. ตุ้มนํ้าหนักผ่าซีก 50, 100 และ 200 กรัม
5. บีกเกอร์ 100 ml
6. ถ้วยยูเรก้า สแตนเลส

วิธีการทดลอง

1. ประกอบขาตั้ง ข้อต่อ และเครื่องชั่งสปริงเข้าด้วยกัน
2. นำที่แขวนลูกตุ้มหนัก 100 กรัม แขวนที่เครื่องชั่ง สังเกตพร้อมบันทึกค่านํ้าหนักที่เกิดขึ้นบนเครื่องชั่ง
3. ทำการเพิ่มตุ้มนํ้าหนัก สังเกตพร้อมบันทึกค่านํ้าหนักที่เกิดขึ้นบนเครื่องชั่ง (เพิ่มครั้งละ 1 ลูก)
4. บรรจุนํ้าลงในถ้วยยูเรก้าให้พอดีกับช่องทางนํ้าล้น พร้อมกับนำบีกเกอร์มารองนํ้าที่ล้นออก
5. ทำการทดลองซํ้าในข้อที่ 2 และ 3 แต่เปลี่ยนจากการชั่งมวลแขวนในอากาศ มาชั่งในนํ้าที่เตรียมไว้ในข้อที่ 4 จากนั้นบันทึกผลที่เกิดขึ้นบนเครื่องชั่ง
6. ทำการชั่งนํ้าหนักของนํ้าที่อยู่ในบีกเกอร์ (นํ้าหนักของนํ้าที่ถูกแทนที่) พร้อมบันทึกผล
7. เปรียบเทียบนํ้าหนักของนํ้าที่ถูกแทนที่กับนํ้าหนักที่หายไปจากเครื่องชั่งสปริงตามหลักของอาร์คิมิดีส
8. สรุปผลการทดลอง

ตารางบันทึกผลการทดลอง

สรุปผลการทดลอง
จากการทดลองพบว่า นํ้าหนักวัตถุเมื่อชั่งในอากาศจะมีค่ามากกว่าเมื่อชั่งในนํ้าทั้งก้อน เนื่องจากในนํ้ามีแรงที่มากระทำต่อวัตถุหรือแรงลอยตัว และพบว่านํ้าที่ล้นออกมาจากถ้วยยูเรก้าเมื่อเปรียบเทียบปริมาตรกับนํ้าหนักวัตถุที่หายแล้วไปมีค่าใกล้เคียงกัน
ดังนั้นสามารถสรุปได้ว่าขนาดของแรงที่มากระทำต่อวัตถุในของเหลวมีค่าเท่ากับขนาดนํ้าหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุแทนที่ตามหลักการของ อาร์คิมิดีส

ชุดแรงลอยตัว