Memahami prinsip -prinsip badan mengambang air: daya apung dan stabilitas dijelaskan

1. Prinsip daya apung
Daya apung adalah gaya ke atas yang diberikan pada objek dalam cairan. Besarnya gaya ini ditentukan oleh berat cairan yang dipindahkan oleh objek. Prinsip ini, ditemukan oleh sarjana Yunani kuno Archimedes dan dikenal sebagai prinsip Archimedes, menyatakan:
Objek apa pun yang direndam dalam cairan mengalami gaya apung ke atas yang sama dengan berat cairan yang dipindahkan oleh objek.
Efek daya apung:
Ketika a Air mengambang tubuh Objek direndam dalam air, air memberikan gaya ke atas pada objek, menyebabkannya mengapung. Ketika daya apung objek di dalam air sama dengan beratnya, objek akan tetap di permukaan.
Hubungan antara kepadatan objek mengambang dan kepadatan air menentukan apakah objek dapat melayang. Jika kepadatan objek lebih besar dari pada air, daya apung tidak cukup untuk mendukung bobot objek, dan objek akan tenggelam. Sebaliknya, jika kepadatan objek kurang dari air, daya apung cukup untuk mendukung objek, dan objek akan melayang.
Hubungan antara daya apung dan volume suatu objek:
Semakin besar volume suatu objek, semakin banyak air yang dipindahkan, dan dengan demikian semakin besar daya apungnya. Misalnya, kapal besar, meskipun sangat berat, dapat mengapung karena volumenya menggantikan air dalam jumlah yang cukup.

Hubungan antara daya apung dan kepadatan cair:
Kepadatan air biasanya 1000 kg/m³. Air asin atau air laut memiliki kepadatan yang lebih tinggi, yang berarti benda -benda dalam air asin lebih cenderung mengapung. Cairan yang lebih padat memberikan daya apung yang lebih besar.

2. Stabilitas
Stabilitas objek mengambang mengacu pada kemampuannya untuk menjaga keseimbangan pada permukaan air. Tidak seperti benda -benda stasioner, benda mengambang juga harus mengatasi gangguan eksternal seperti gelombang dan angin.

Stabilitas awal:
Pusat Gravitasi: Pusat gravitasi objek adalah titik di mana semua kekuatan gravitasi bertemu. Stabilitas objek mengambang terkait erat dengan lokasi pusat gravitasi.
Pusat apung: Pusat daya apung adalah titik di mana air memberikan kekuatan apung pada benda mengambang. Ketika benda mengambang terbenam dalam air, daya apung air didistribusikan secara merata, dan pusat daya apung adalah pusat gravitasi di mana air memberikan gaya apung pada benda mengambang.

Hubungan antara pusat gravitasi dan pusat daya apung: untuk memastikan stabilitas benda mengambang, pusat daya apung harus langsung di bawah pusat gravitasi. Ketika objek mengambang miring, torsi dihasilkan antara pusat daya apung dan pusat gravitasi, menyebabkannya kembali ke keadaan kesetimbangan aslinya.

Stabilitas setelah miring:
Ketika benda mengambang miring, daya apung dan gravitasi masih bertindak di atasnya. Karena berbagai posisi pusat daya apung dan pusat gravitasi, torsi pemulihan dihasilkan, menyebabkan objek kembali ke posisi horizontal.

Memulihkan Torsi: Jika pusat daya apung lebih tinggi dari pusat gravitasi, sudut kemiringan meningkat. Jika pusat daya apung lebih rendah dari pusat gravitasi, torsi pemulihan menarik objek kembali ke posisi keseimbangannya.

Stabilitas Dinamis:
Untuk objek mengambang dinamis seperti kapal dan platform mengambang, gangguan eksternal (seperti gelombang dan angin) dapat menyebabkan objek miring secara dinamis. Dalam hal ini, torsi pemulihan dan hambatan air bersama -sama mempengaruhi stabilitas objek.

Dampak gelombang pada stabilitas: tinggi gelombang, periode, dan arah semuanya mempengaruhi stabilitas dinamis dari objek mengambang. Desain platform apung biasanya mempertimbangkan faktor -faktor ini untuk memastikan stabilitas dalam berbagai kondisi laut.

3. Faktor -faktor yang mempengaruhi stabilitas objek mengambang
Stabilitas objek mengambang tidak hanya diatur oleh hukum fisika tetapi juga dipengaruhi oleh berbagai faktor:
Efek bentuk:
Bentuk geometris dari benda mengambang secara langsung mempengaruhi aliran air dan distribusi daya apung. Misalnya, lambung yang panjang dan runcing cenderung bergulir, sedangkan objek mengambang lebar lebih mungkin untuk mempertahankan keseimbangan.
Desain yang ramping: Untuk objek mengambang berkecepatan tinggi (seperti kapal dan submersible), desain ramping membantu mengurangi ketahanan air, meningkatkan stabilitas dan efisiensi.
Kepadatan material:
Kepadatan material dari benda mengambang sangat penting untuk daya apungnya. Bahan ringan (seperti kayu, plastik, dan paduan aluminium) memiliki kepadatan yang lebih rendah dan lebih ringan.
Jika kepadatan suatu bahan lebih besar dari air (seperti besi atau baja), objek akan tenggelam bahkan jika itu besar. Oleh karena itu, struktur berongga atau bahan ringan sering digunakan dalam desain objek mengambang untuk memastikan daya apung.
Kepadatan air:
Kepadatan air dipengaruhi oleh suhu, salinitas, dan tekanan. Misalnya, kepadatan air laut (sekitar 1025 kg/m³) lebih tinggi dari air tawar (sekitar 1000 kg/m³). Oleh karena itu, desain untuk struktur mengambang di laut umumnya membutuhkan perhatian yang lebih besar terhadap daya apung dan stabilitas daripada desain untuk air tawar.

Suhu: Air hangat memiliki kepadatan yang lebih rendah daripada air dingin, sehingga struktur mengambang di perairan hangat memiliki lebih sedikit daya apung.

4. Desain dan Penerapan Struktur Terapung
Saat merancang struktur mengambang, perlu menyeimbangkan daya apung, stabilitas, dan persyaratan aplikasi praktis. Aplikasi yang berbeda membutuhkan struktur mengambang yang berbeda.

Platform Kapal dan Mengambang:
Desain Kapal: Desain lambung harus mempertimbangkan tidak hanya daya apung dan stabilitas, tetapi juga faktor -faktor seperti kemampuan manuver dan kecepatan. Pusat gravitasi kapal harus tetap rendah untuk mencegah kapsisi. Desain lambung biasanya mencakup beberapa kompartemen kedap air untuk meningkatkan daya apung dan resistensi terbalik.

Platform mengambang, seperti turbin angin mengambang dan pembangkit listrik tenaga surya yang mengambang, harus dirancang untuk memastikan bahwa platform dapat menahan beban dinamis (angin, gelombang, dll.) Dan memiliki ketahanan angin dan gelombang yang cukup. Struktur mengambang dan perkembangan ekologis:
Floating Wind Power: Dengan munculnya tenaga angin lepas pantai, platform angin mengambang telah menjadi area yang panas. Karena keterbatasan kedalaman air, banyak turbin angin perlu mengapung di permukaan. Platform ini harus dirancang untuk menjaga stabilitas dari waktu ke waktu di bawah pengaruh gelombang dan angin.
Energi matahari mengambang: Sistem panel surya mengambang biasanya digunakan pada permukaan danau, sungai, atau lautan, memanfaatkan efek pendinginan air untuk meningkatkan efisiensi sel. Desain semacam itu mensyaratkan bahwa sistem mengambang dapat menahan pengaruh faktor -faktor alami seperti gelombang dan angin kencang.

5. Contoh aplikasi
Platform lepas pantai: seperti platform pengeboran minyak lepas pantai memerlukan perhatian khusus dalam desain mereka untuk stabilitas dalam angin kencang dan gelombang. Platform mengambang harus dapat menjaga keseimbangan dalam berbagai kondisi laut.
Jembatan dan platform mengambang: Jembatan mengambang adalah struktur yang dirancang untuk menghubungkan berbagai area di atas air, sering digunakan untuk penyelamatan darurat dan transportasi jangka pendek. Mereka harus memastikan stabilitas di bawah fluktuasi pasang surut dan dampak gelombang.
Peralatan Olahraga Air: Peralatan seperti perahu layar dan wakeboard harus dirancang tidak hanya untuk daya apung tetapi juga untuk pergerakan dan stabilitas yang ramping. Layar, pusat konfigurasi gravitasi, dan sistem kontrol juga merupakan faktor kunci yang mempengaruhi stabilitas struktur mengambang.

6. Eksperimen dan Simulasi
Eksperimen Fisik: Eksperimen mengukur kinerja struktur mengambang di bawah berbagai kondisi air memberikan data dunia nyata untuk desain. Eksperimen ini biasanya dilakukan di tangki atau lingkungan samudera simulasi untuk menguji daya apung, stabilitas, dan kemampuan pelaut.
Dinamika Fluida Komputasi (CFD):
Simulasi CFD mensimulasikan daya apung, seret, dan gelombang yang bekerja pada struktur mengambang dalam air. Menggunakan metode numerik, simulasi CFD dapat menganalisis dan memprediksi perilaku struktur mengambang dalam kondisi air yang kompleks.
Simulasi ini membantu para insinyur mengidentifikasi kelemahan desain potensial di muka dan mengoptimalkan bentuk dan struktur struktur mengambang untuk meningkatkan stabilitas dan keamanan secara keseluruhan.