แรงลอยตัว หรือแรงพยุง (Buoyant Force)

เมื่อวัตถุจมอยู่ในของไหล ไม่ว่าจะเป็นแก๊ส หรือของเหลวก็ตามจะมีแรงพยุงกระทำกับวัตถุนั้นเสมอ

เนื้อหา :

ปัจจัยที่มีผลต่อแรงพยุง

ความหนาแน่นของของไหล $\rho$
ปริมาตรของวัตถุที่จมในของไหล $V_{sink}$
และความโน้มถ่วง $g : gravity$

หากเราลองนำลูกบอลกดลงในน้ำ ยิ่งจมมาเท่าไหร่ เราจะรู้สึกได้ถึงแรงที่น้ำพยายามดันลูกบอลกลับมามากเท่านั้น นี่เป็นการทดลองง่ายๆที่พิสูจน์ได้ว่า “ยิ่งวัตถุจมน้ำมากเท่าใด แรงลอยตัวจะมีขนาดเพิ่มขึ้นมากเท่านั้น” และถ้าเปลี่ยนลูกบอลไปกดในน้ำมัน หรือของเหลวที่มีความหนาแน่นมากยิ่งขึ้น ลูกบอลก็จะกดลงได้ยากขึ้น แสดงให้เห็นว่า ความหนาแน่นมีผลต่อขนาดของแรงลอยตัว หากลองเปลี่ยนการทดลองไปทำที่ดาวเคราะห์ดวงอื่นที่มีค่าความโน้มถ่วงต่างจากโลก ความยากในการกดลูกบอลให้จมน้ำก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน ดังนั้น สมการแรงพยุงที่กระทำกับวัตถุ จะเป็นดังต่อไปนี้

$F_B = \rho_{fluid} V_{sink} g$ – สมการที่ (1)

จากรูป ถ้าสนใจขณะที่วัตถุลอยน้ำบางส่วน และเป็นการลอยที่ไม่มีการเคลื่อนที่ไปทางซ้ายหรือขวา (เปลี่ยนตำแหน่ง) หรือเด้งขึ้นลง ดังนั้นแรงลัพธ์ในแนวดิ่งที่กระทำกับวัตถุขณะลอยน้ำจะมีค่าเป็นศูนย์ ตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 1 ของนิวตัน

$\Sigma{F} = 0$

$F_B - mg = 0$

จากสมการที่ (1) จะได้ว่า $\rho_{fluid} V_{sink} g = m_{object} g$

$\rho_{fluid} V_{sink} = \rho_{object} V_{object}$ จาก $m = \rho V$

แทนค่าตัวแปรจากรูป จะได้ว่า

$\rho_{fluid} Y = \rho_{object} (X + Y)$

สมการข้างต้น แสดงให้เห็นว่าปริมาตรทั้งสองฝั่งของสมการมีความหมายทางฟิสิกส์ต่างกัน โดยที่

ฝั่งซ้ายจะเป็นปริมาตรในส่วนที่จมของวัตถุเท่านั้น (Y)
ส่วนฝั่งขวาของสมการจะเป็นปริมาตรทั้งหมดของวัตถุ (X + Y)

ซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องระวังหากเราจะคำนวณหาปริมาณใดๆของตามเกี่ยวกับแรงลอยตัว

ทำไมร่างกายของเราถึงไม่ลอย ถึงแม้จะอยู่ท่ามกลางอากาศ (ซึ่งก็เป็นของไหล)

อากาศบนโลกของเรามีความหนาแน่นประมาณ $1.2 kg/m^3$ และร่างกายเราถือว่าจมอยู่ในอากาศทั้งหมด และค่า g ของโลกเท่ากับ $9.8 m/s^2$ ดังนั้นแรงลอยตัวตามสมการที่ (1) มีค่าเท่ากับ $1.2 \times 9.8 \times V_{body}$ นิวตัน (ลองคำนวณปริมาตรร่างกายจากเว็บไซต์นี้ได้ : การคำนวณหาปริมาตรร่างกายมนุษย์) ในขณะที่น้ำหนักของเราเท่ากับ มวล*g นิวตัน หากลองเปรียบเทียบแล้ว น้ำหนักของเรามีค่ามากกว่าแรงลอยตัวเนื่องจากอากาศบนโลกมากนัก ทำให้เราไม่รู้สึกถึงแรงพยุงจากอากาศนั่นเอง

ปัจจัยที่มีผลต่อแรงพยุง

ทำไมร่างกายของเราถึงไม่ลอย ถึงแม้จะอยู่ท่ามกลางอากาศ (ซึ่งก็เป็นของไหล)

Related posts:

ตรวจพบ Ad Blocker