7. Noste ja väliaineen vastus Flashcards
Mikä on noste? Mistä noste johtuu?
Noste on ylöspäin suuntautuva voima, joka vaikuttaa kappaleisiin, jotka ovat ainakin osittain nesteen tai kaasu ympäröimiä.
Nesteeseen tai kaasuun upotetun kappaleen pintaan kohdistuu paine, joka koostuu ilmanpaineesta ja hydrostaattisesta paineesta. Hydrostaattinen paine on nesteissä ja kaasuissa vaikuttava paine, joka on sitä suurempi, mitä syvemmällä nesteessä tai kaasussa kappale on ja mitä tiheämpää neste tai kaasu on.
Hydrostaattisen paineen vuoksi kappaleen alapintaan kohdistuu suurempi paine kuin kappaleen yläpintaan. Paine-erosta aiheutuu voima, noste.
Millainen on Arkhimedeen laki? Miten lasket nosteen suuruuden?
Arkhimedeen lain mukaan nesteessä tai kaasussa olevaan kappaleeseen vaikuttaa noste, joka on yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän nesteen tai kaasun paino.
Kun kappaleen syrjäyttämän nesteen tai kaasun tilavuus on V ja tiheys on p, tämän nesteen tai kaasun paino on G=mg=pVg.
Mitkä voimat vaikuttavat kappaleeseen, joka on nesteessä tai kaasussa paikallaan? Miten kappaleen liike riippuu näiden voimien suuruuksista?
Kun kappale on nesteessä tai kaasussa paikallaan, siihen vaikuttavat voimat ovat noste ja paino. Jos kappaleen paino on suurempi kuin noste, kappale uppoaa. Vastaavasti, jos kappaleeseen vaikuttava noste on suurempi kuin kappaleen paino, kappale nousee nesteessä tai kaasussa ylöspäin.
Kelluva kappale asettuu nesteen pinnalle osittain upoksiin. Tällöin kappaleen syrjäyttämän nesteen paino eli kappaleeseen kohdistuva noste on yhtä suuri kuin kappaleen paino.
(Huom! Yleisesti: jos kappaleen keskimääräinen tiheys on suurempi kuin sitä ympäröivän nesteen/kaasun tiheys, kappale uppoaa)
Mitä ovat väliaineen vastus ja ilmanvastus? Mistä ne aiheutuvat?
Väliaineessa liikkuva kappale työntää edessään olevaa väliainetta tieltään. Samalla väliaineen atomit ja molekyylit hankaavat liikkuvan kappaleen pintaa, eli väliaine vastustaa kappaleen liikettä.
Liikkuvan kappaleen ja sitä ympäröivän väliaineen vuorovaikutuksesta syntyy voima, jota kutsutaan väliaineen vastukseksi. Jos kappale liikkuu ilmassa, väliaineen vastusta kutsutaan ilmanvastukseksi.
Mitkä asiat vaikuttavat väliaineen vastuksen suuruuteen?
Väliaineen vastuksen ja kappaleen nopeuden välinen riippuvuus.
Väliaineen vastuksen suuruuteen vaikuttavat esimerkiksi liikkuvan kappaleen nopeus, muoto (/asento etenemissuuntaan nähden) ja koko sekä väliaineen tiheys ja viskositeetti, joka kuvaa aineen juoksevuutta.
Mitä suurempi kappaleen nopeus on, sitä suurempi on väliaineen vastus. Jos kappale liikkuu pienellä nopeudella, väliaineeseen ei synny pyörteitä. Silloin kappaleen nopeus ja väliaineen vastus voivat olla suoraan verrannollisia.
Tyypillisesti väliaineen vastus on kuitenkin suoraan verrannollinen kappaleen nopeuden neliöön. Tällöin väliaineen vastukselle voidaan kirjoittaa yhtälö Fv = kv^2, jossa k on verrannollisuuskerroin, joka täytyy määrittää kokeellisesti.
Mitä tarkoitetaan rajanopeudella ja miten se saavutetaan?
Vapaasti putoavan kappaleen liike on aluksi kiihtyvää. Kappaleen nopeuden kasvaessa myös kappaleeseen vaikuttava ilmanvastus suurenee. Samalla kappaleen kiihtyvyys pienenee. Kun ilmanvastus on kasvanut yhtä suureksi kuin kappaleen putoamisen aiheuttava paino, kappaleeseen vaikuttava kokonaisvoima on nolla ja kappaleen liike on tasaista. Kappaleen saavuttamaa nopeutta kutsutaan rajanopeudeksi. Rajanopeus on erilainen erikokoisille ja -muotoisille kappaleille.
