Kako odrediti gustoću krutih materijala

Sadržaj

• Što je gustoća?
• Gustoća naspram specifične težine
• Arhimedov princip
• Mjerenje gustoće krutih čestica
• Kompozitna gustoća krutih tijela

Kad vidiš ili čuješ riječ gustoća, ako ste uopće upoznati s ovim pojmom, najvjerojatnije vam u mislima pada slike „gužve“: gradske ulice, napunjene džemom, recimo, ili neobične debljine stabala u dijelu parka u vašem susjedstvu.

U suštini, na to se odnosi gustoća: koncentracija nečega, s naglaskom ne na ukupnu količinu bilo čega u sceni, već na to koliko ih je raspoređeno u raspoloživi prostor.

Gustoća je kritični pojam u svijetu fizičkih znanosti. Nudi način povezivanja osnovnog stvar - stvari svakodnevnog života koje se obično (ali ne uvijek) mogu vidjeti i osjetiti ili barem nekako uhvatiti u mjerenjima u laboratorijskom okruženju - u osnovni prostor, sam okvir koji koristimo za navigaciju svijetom. Različite vrste materije na Zemlji mogu imati vrlo različite gustoće, čak i unutar samog područja čvrste materije.

Mjerenje gustoće krutih tvari vrši se metodama različitim od onih koji se koriste za ispitivanje gustoće tekućina i plinova. Najtačniji način mjerenja gustoće često ovisi o eksperimentalnoj situaciji i o tome uključuje li vaš uzorak samo jednu vrstu tvari (materijala) s poznatim fizičkim i kemijskim svojstvima ili više vrsta.

Što je gustoća?

U fizici gustoća uzorka materijala je upravo ukupna masa uzorka podijeljena s njegovom zapreminom, bez obzira na to kako se materija u uzorku distribuira (zabrinutost koja utječe na mehanička svojstva predmetne krute tvari).

Primjer nečega što ima predvidljivu gustoću unutar određenog raspona, ali također ima jako različite razine gustoće u cijelom, je ljudsko tijelo, koje se sastoji od manje ili više fiksnog omjera vode, kostiju i drugih vrsta tkiva.

Gustoća i masa često se miješaju težina, iako iz možda različitih razloga. Težina je jednostavno sila koja proizlazi iz ubrzavanja gravitacije koja djeluje na materiju ili masu: F = mg, Na Zemlji ubrzanje zbog gravitacije ima vrijednost 9,8 m / s², masa od 10 kg, dakle, ima a težina od (10 kg) (9.8 m / s²) = 98 Njuton (N).

Sama težina također je pomiješana s gustoćom, iz jednostavnog razloga što će, s obzirom na dva objekta iste veličine, onaj s većom gustoćom u stvari težiti više. To je osnova za staro trik pitanje, "Koji teži više, kilogram perja ili kilogram olova?" Jedan kilogram je bez kilograma, ali ključno je ovdje da će kilogram perja zauzeti puno više prostora nego li kilogram olova, jer vodi puno veću gustoću.

Gustoća naspram specifične težine

Pojam fizike usko povezan s gustoćom jest specifična gravitacija (SG). Ovo je samo gustoća datog materijala podijeljena s gustoćom vode. Gustoća vode definirana je na točno 1 g / ml (ili ekvivalentno 1 kg / L) pri normalnoj sobnoj temperaturi, 25 ° C. To je zato što sama definicija litre u SI (međunarodnim sustavima, ili "metričkim") jedinicama predstavlja količinu vode koja ima masu od 1 kg.

Na površini će se, čini se, SG činiti prilično trivijalnim informacijama: Zašto podijeliti s 1? Zapravo su dva razloga. Prvo je da gustoća vode i drugih materijala malo varira s temperaturom čak i unutar raspona sobne temperature, tako da kada su potrebna precizna mjerenja, tu varijaciju je potrebno uzeti u obzir jer vrijednost ρ ovisi o temperaturi.

Također, dok gustoća ima jedinice g / mL ili slično, SG je ne jedinstven, jer je to samo gustoća podijeljena s gustoćom. Činjenica da je ta količina samo konstanta olakšava neke izračune koji uključuju gustoću.

Arhimedov princip

Možda je najveća praktična primjena gustoće čvrstih materijala Arhimedov princip, otkrio prije tisućljeća grčki znanstvenik s istim imenom. Ovaj princip tvrdi da, kada se čvrsti predmet stavi u fluid, objekt se podliježe mreži prema gore plutajuća sila jednak je težina premještene tekućine.

Ova sila je ista bez obzira na njezin utjecaj na objekt, što bi moglo biti guranje prema površini (ako je gustoća predmeta manja od gustoće tekućine), dopustiti mu da savršeno pluta na mjestu (ako gustoća objekt je točno jednak onome tekućine) ili mu dopustite da potone (ako je gustoća predmeta veća od gustoće tekućine).

Simbolično, ovaj princip je izražen kao F_B = W_f, gdje F_B plovna sila i W_f je težina istisnute tekućine.

Mjerenje gustoće krutih čestica

Od različitih metoda pomoću kojih se određuje gustoća čvrstog materijala, hidrostatičko vaganje je poželjnija jer je najpreciznija, ako ne i najpovoljnija. Većina čvrstih materijala koji nas zanimaju nisu u obliku urednih geometrijskih oblika s lako izračunatim volumenom, što zahtijeva neizravno određivanje volumena.

Ovo je jedan od mnogih slojeva života koji Arhimedov princip dobro dolazi. Subjekt se vaga i u zraku i u fluidu poznate gustoće (voda je očito koristan izbor). Ako objekt s "kopnenom" masom od 60 kg (Š = 588 N) istiskuje 50 L vode prilikom uronjenja na vaganje, njegova gustoća mora biti 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Ako biste u ovom primjeru željeli zadržati ovaj objekat gušći od vode obustavljen primjenom uzlazne sile uz plutajuću silu, koja bi bila veličina ove sile? Vi samo izračunavate razliku između težine prognane vode i težine predmeta: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

Kompozitna gustoća krutih tijela

Ponekad vam se predstavi predmet koji sadrži više vrsta materijala, ali za razliku od primjera ljudskog tijela, sadrži te materijale na ravnomjerno raspoređeni način. Odnosno, ako ste uzeli sitni uzorak materijala, on bi imao isti omjer materijala A prema materiji B kao i cijeli predmet.

Jedna situacija u kojoj se to događa je u konstrukcijskom inženjerstvu, gdje se grede i drugi potporni elementi često izrađuju od dvije vrste materijala: matrice (M) i vlakana (F). Ako imate uzorak ove grede sastavljen od poznatog omjer volumena ova dva elementa i znate njihove pojedinačne gustoće, možete izračunati gustoću kompozita (ρ_C) koristeći sljedeću jednadžbu:

ρ_C = ρ_FV_F + ρ_MV_M,

Gdje ρ_F i ρ_M i V_F i Vm su udjeli gustoće i volumena (tj. postotak snopa koji se sastoji od vlakana ili matrice, pretvoreno u decimalni broj) svake vrste materijala.

Primjer: Uzorak od 1000 ml misterioznog predmeta sadrži 70 posto kamenitog materijala gustoće od 5 g / ml i 30 posto gela sličnog materijala s gustoćom od 2 g / ml. Kolika je gustoća objekta (kompozita)?

ρ_C = ρ_RV_R + ρ_GV_G = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.