แรงลอยตัวคือแรงที่ช่วยพยุงวัตถุไม่ให้จมลงไปในของเหลว โดยมีขนาดขึ้นอยู่กับ ความหนาแน่นของของเหลวนั้น และปริมาตรของงวัตถุส่วนที่จมลงไปในของเหลว
ความหนาแน่นของวัตถุ
ความหนาแน่นของวัตถุคือ อัตราส่วนระหว่างปริมาตรและน้ำหนักของวัตถุ โดยวัตถุที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะมีน้ำหนักมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบ ในปริมาตรที่เท่ากัน
- วัตถุจะไม่จมลงไปในของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว
- วัตถุจะลอยปริ่มของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับของเหลว
- วัตถุจะจมลงไปในของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว
แรงลอยตัว (bouyant force) หรือแรงพยุงของของเหลวเป็นไปตามหลักการของ อาร์คิเมดิส (Archimedes’ Principle) ซึ่งกล่าวว่า “แรงลอยตัวหรือแรงพยุงที่ของเหลวกระทำต่อวัตถุ มีขนาดเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับปริมาตรของวัตถุส่วนที่จมอยู่ในของเหลว”
ที่มา http://theerachot.yolasite.com/แรงลอยตัว.php
- ถ้าเราต้องการหาขนาดของแรงลอยตัวที่กระทำกับวัตถุ ก็ให้นำวัตถุมาหย่อนลงในถ้วยยูเรก้า หรือภาชนะอื่นๆ ที่มีช่องทางให้น้ำล้นออกมาได้ แต่ต้องบรรจุน้ำไว้ให้เต็ม
ที่มา http://theerachot.yolasite.com/แรงลอยตัว.php
- เมื่อหย่อนวัตถุลงไป ให้เตรียมภาชนะอีกใบรองรับน้ำที่ล้นออกมา
ที่มา http://theerachot.yolasite.com/แรงลอยตัว.php
- อยากทราบแรงลอยตัว ก็นำน้ำที่ล้นออกมาทั้งหมดไปชั่งน้ำหนัก เพราะแรงลอยตัวที่กระทำกับวัตถุ = น้ำหนักของน้ำส่วนที่ล้นออกมา
ที่มา http://theerachot.yolasite.com/แรงลอยตัว.php
แรงลอยตัวอาจจะมากจนพยุงให้วัตถุลอยน้ำอยู่ได้ หรือไม่มากพอซึ่งวัตถุก็ยังจะจมลงน้ำ ทั้งนี้ก็ขึ้นกับความหนาแน่นของวัตถุ พิจารณาสมดุลของแรงที่กระทำต่อวัตถุ ดังรูป
(ที่มาภาพ www.mwit.ac.th/~ampornke/content…/pdf…/05_Archimedis_Principle_1.pdf)
ความสัมพันธ์ระหว่างแรงพยุงกับความดันของของเหลว
ขณะที่วัตถุอยู่ในน้ำ ความดันน้ำจะทำให้มีแรงกระทำต่อวัตถุทุกทิศทุกทาง เมื่อรวมแรงทุกแรงแล้ว แรงลัพธ์ที่กระทำต่อด้านล่างของวัตถุในทิศขึ้นจะมีขนาดมากกว่าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อด้านบนของวัตถุในทิศลง เนื่องจากความดันภายในของเหลวมีค่ามากขึ้นเมื่ออยู่ลึกมากขึ้น
ดังนั้นความดันของน้ำที่ส่วนล่างมีค่ามากกว่าความดันของน้ำส่วนบน จากการรวมแรงทั้งหมดที่น้ำกระทำต่อวัตถุจึงเป็นแรงลัพธ์ของแรงที่มีทิศขึ้นเรียกแรงลัพธ์ของแรงลัพธ์นี้ว่า “แรงพยุงขึ้น” หรือ “แรงลอยตัว (Buoyant force)”
ในการชั่งวัตถุในอากาศและในของเหลว พบว่าเมื่อชั่งวัตถุในของเหลว น้ำหนักของวัตถุมีค่าน้อยกว่าเมื่อชั่งวัตถุในอากาศ เพราะในของเหลว น้ำหนักของวัตถุมีค่าน้อยกว่าเมื่อชั่งวัตถุในอากาศ เพราะในของเหลวมีแรงพยุงขึ้นหรือแรงลอยตัวของของเหลวนั่นเอง
การลอยและการจมของวัตถุในของเหลว
ในชีวิตประจำวันพบว่าในชีวิตประจำวันมีวัตถุหลายชนิดที่ลอยในของเหลวได้ เช่น โฟม ไม้ ขวดพลาสติก ใบไม้ต่างๆ เรือ สามารถลอยน้ำได้ และมีวัตถุอีกจำนวนมากที่จมลงในของเหลว เช่น ก้อนหิน ตะปู เหล็ก ลูกแก้ว เป็นต้น
การลอยของวัตถุในของเหลว
วัตถุสามารถขอลในของเหลวใดๆ เพราะวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวชนิดนั้น เช่น น้ำแข็งก้อนหนึ่งมีความหนาแน่น 0.92 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร สามารถลอยได้ในน้ำซึ่งมีความหนาแน่น 1 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร และแรงดันของน้ำที่ดันวัตถุให้ลอยขึ้นมา แรงนี้คือแรงพยุงขึ้นหรือแรงลอยตัวนั่นเอง
การลอยของวัตถุในของเหลวมี 2 แบบ คือ
1) วัตถุลอย เนื่องจากวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว และแรงพยุงของของเหลวจะทำให้วัตถุลอยขึ้นไปยังผิวน้ำ
ที่มา : https://sukanyadru.files.wordpress.com/2014/01/n3-63-copy.gif
2) วัตถุลอยปริ่ม เนื่องจากวัตถุนั้นมีความหนาแน่นเท่ากับความหนาแน่นของของเหลว และแรงพยุงของของเหลวเท่ากับความหนาแน่นของวัตถุพอดีทำให้วัตถุลอยปริ่มในของเหลวนั้นๆ
ที่มา : https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTMNGRvGAm7_fgy59WE7f6_m4Ah87bysoDxuID3VTI9t6I-lvi0
สูตรคำนวณแรงลอยตัว (Buoyant Force)
แรงลอยตัว มีค่าเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ด้วยวัตถุ
ถ้าให้
rL เป็นความหนาแน่นของของเหลว
FB เป็น แรงลอยตัว
VL เป็น ปริมาตรวัตถุส่วนที่จมในของเหลว
g เป็นค่าความเร่งโน้มถ่วงของโลก
mg เป็นน้ำหนักของวัตถุในอากาศ
ในกรณีวัตถุจม
ขนาดแรงลอยตัว = ขนาดน้ำหนักของเหลวที่มีปริมาตรเท่าวัตถุ
ในกรณีวัตถุลอย
ขนาดแรงลอยตัว = ขนาดน้ำหนักของเหลวที่มีปริมาตรเท่าวัตถุส่วนที่จมในของเหลว
ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับแรงลอยตัว ได้แก่
- ชนิดของวัตถุ วัตถุจะมีความหนาแน่นแตกต่างกันออกไปยิ่งวัตถุมีความหนาแน่นมาก ก็ยิ่งจมลงไปในของเหลวมากยิ่งขึ้น
- ชนิดของของเหลว ยิ่งของเหลวมีความหนาแน่นมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นด้วย
- ขนาดของวัตถุ จะส่งผลต่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลว เมื่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นอีกด้วย
ไฮโดรมิเตอร์ (hydrometer)
เป็นอุปกรณ์สำหรับใช้วัดความหนาแน่นของของเหลว โดยใช้หลักการเกี่ยวกับการลอยและการจมของวัตถุในของเหลว ไฮโดรมิเตอร์ประกอบด้วยหลอดแก้วยาวที่มีปลายปิดทั้งสองข้าง ปลายข้างหนึ่งเป็นกระเปาะสำหรับบรรจุเม็ดโลหะเล็กๆ เมื่อนำไฮโดรมิเตอร์ไปลอยในของเหลวต่างชนิดกัน ไฮโดรมิเตอร์จะจมได้ลึกไม่เท่ากัน บนหลอดแก้วมีสเกลบอกความหนาแน่นสัมพัทธ์กับความหนาแน่นของน้ำ
หลักการของไฮโดรมิเตอร์
เมื่อนำวัตถุชนิดหนึ่งไปลอยในของเหลวต่างชนิดกัน วัตถุจะมีส่วนที่จมและลอยในของเหลวแต่ละชนิดไม่เท่ากัน เช่น นำแท่งไม้ไปลอยในน้ำเชื่อม น้ำ แอลกอฮอล์ พบว่า แท่งไม้จมแอลกอฮอล์มากที่สุด รองลงมาเป็นน้ำและน้ำเชื่อมตามลำดับ สรุปได้ว่า แท่งไม้จมได้น้อยในของเหลวที่มีความหนาแน่นมาก และจมได้มากในของเหลวที่มีความหนาแน่นน้อย ดังนั้น ความลึกของส่วนที่จมของวัตถุในของเหลวใดๆ จึงบอกความหนาแน่นของของเหลวนั้นได้
แหล่งที่มา
แรงลอยตัว. สืบค้นเมื่อวันที่ 19 สิงหาคม จาก
