Laboration: Lyftkraft

Laboration - Lyftkraft
Inledning
Visst känner man sig ”lättare” under vatten? Men sanningen är ju att man väger lika mycket
(samma massa) och att man påverkas av samma tyngdkraft. Så varför känner man sig då
lättare? Låt oss undersöka det. OBS: Dynamometrar tål inte vätska, så sänk aldrig ner en
dynamometer i vätska!
Uppgift 1
Du har fått några olika metallbitar. Vi börjar med att använda den
med störst volym.

Häng den i en dynamometer och avläs dess tyngd.
Sänk sedan ner den (fortfarande hängande i dynamometern) helt
under vatten.

Avläs dynamometerns utslag under vatten.

Vad hände med dynamometerns utslag?
Metallbiten påverkas av totalt tre krafter under vattnet
(tyngdkraften Fg, dynamometerns kraft Fdyn och en ny tredje kraft
från vattnet som kallas lyftkraft Flyft).
vatten

Rita de tre krafterna på metallbiten i bilden till höger. Var noga med kraftpilarnas
längder. Tänk på att metallbiten är i jämvikt.

Hur räknar man ut lyftkraften med hjälp av Fg och Fdyn?
Uppgift 2
Bestäm nu nedanstående för metallbitarna som du fått. Sänk därför ner ett föremål i taget i
vatten och fyll i tabellen.
Föremål
Massa
Volym
Tyngd
Lyftkraft
Undanträngd
vätskas tyngd
1
2
3
Uppgift 3
Sänk ner metallbiten med störst volym i bägaren med t-sprit (har densiteten 0,78 g/cm3).

Hur stor blir lyftkraften i t-spriten?

Hur stor var lyftkraften i vatten?

Jämför svaren. Kan man dra någon slutsats?
Uppgift 4
Låt oss sammanfatta vad du hittills kommit fram till. Lyftkraften påverkas av (sätt kryss):
Det nersänkta föremålets massa
Det nersänkta föremålets tyngd
Det nersänkta föremålets volym
Det nersänkta föremålets densitet
Vätskans densitet
Uppgift 5
Vi vill nu komma fram till hur man kan beräkna lyftkraften på ett föremål genom ett
resonemang. I bilden nedan har tre lika stora föremål (samma volym alltså) sänkts ner under
vatten. Föremålen består av järn, kork och ”vatten”. ”Vattnet” innehåller inga strömmar och
det finns inga vågor vid ytan. Dessutom har det nersänkta vattnet samma temperatur som det
omgivande vattnet. Det är alltså exakt likadant som det omgivande vattnet.

Rita de krafter som verkar på föremålen (två krafter på varje föremål). Utnyttja svaret
från uppgift 4 när du ritar lyftkrafterna. När du ritar krafterna kan det underlätta om du
funderar på vad som händer med föremålen. (Åt vilket håll rör de sig om de släpps?)
järn
kork
vatten
vatten

Vilka krafter i bilden ovan är lika stora?

Med hjälpen av bilden ovan kan formeln för lyftkraft bestämmas. Gör det och skriv
om formeln så att massa inte ingår. Använd istället densitet.
Uppgift 6
Den grekiske matematikern Arkimedes som levde på 200-talet före Kristus kom på formeln
för lyftkraft. Hans upptäckt kallas Arkimedes princip. Hur borde den lyda (sätt kryss)?
Lyftkraften är alltid mindre än tyngden av det nersänkta föremålet.
Lyftkraften är alltid större än tyngden av det nersänkta föremålet.
Lyftkraften är lika stor som tyngden av det nersänkta föremålet.
Lyftkraften är lika stor som tyngden av den undanträngda vätskan.
Uppgift 7 (extrauppgift)
Ett annat sätt att komma fram till formeln för lyftkraft är att ställa upp formler för krafterna
som trycket på varje sida påverkar föremålet med. Den resulterande kraften borde ge formeln
för lyftkraften.
Alla krafter på samma djup blir lika stora (t.ex. Fvänster och Fhöger) och tar därför ut varandra.
Däremot är inte krafterna uppifrån och nerifrån lika stora. Det beror på att trycket är större på
djupare vatten.
Med beteckningarna från figuren fås:
Tryck på ovansidan:
Tryck på undersidan:
p1
p1+ gh
(varför?)
Kraft uppifrån pga. trycket:
Fuppifrån  p1 A
(eftersom p 

Hur stor blir kraften nerifrån pga. trycket?

Hur stor blir den resulterande kraften på föremålet pga. trycket?

Hur stor blir därför lyftkraften på föremålet?
F
)
A
vätska
Fuppifrån
Tryck på detta djup: p1
Fvänster
A
Fhöger
h
Fnerifrån
Kraftpilarna har ritats utanför figuren för att förenkla. De börjar egentligen vid föremålets yta.