كيفية تحديد كثافة المواد الصلبة

عندما ترى أو تسمع الكلمةكثافة،إذا كنت معتادًا على المصطلح على الإطلاق ، فمن المرجح أنه يستدعي إلى ذهنك صور "الازدحام": شوارع المدينة المزدحمة ، على سبيل المثال ، أو السمك غير المعتاد للأشجار في جزء من حديقة في منزلك حي.

وفي جوهرها ، هذا ما تشير إليه الكثافة: تركيز شيء ما ، مع التركيز ليس على الكمية الإجمالية لأي شيء في المشهد ولكن على المقدار الذي تم توزيعه في المساحة المتاحة.

الكثافة مفهوم حاسم في عالم العلوم الفيزيائية. إنه يوفر طريقة لربط الأساسيشيء -أشياء من الحياة اليومية يمكن عادة (ولكن ليس دائمًا) رؤيتها والشعور بها أو على الأقل التقاطها بطريقة ما في القياسات في بيئة معملية - إلى المساحة الأساسية ، وهو نفس الإطار الذي نستخدمه للتنقل في العالمية. يمكن أن يكون للأنواع المختلفة من المادة على الأرض كثافات مختلفة جدًا ، حتى داخل عالم المادة الصلبة وحدها.

يتم إجراء قياس كثافة المواد الصلبة باستخدام طرق مختلفة عن تلك المستخدمة في قياس كثافة السوائل والغازات. غالبًا ما تعتمد الطريقة الأكثر دقة لقياس الكثافة على الموقف التجريبي وما إذا كان لديك تتضمن العينة نوعًا واحدًا فقط من المادة (المادة) ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية المعروفة أو متعددة أنواع.

في الفيزياء ،كثافة عينة من المادة هي فقط الكتلة الكلية للعينة مقسومة على حجمها، بغض النظر عن كيفية توزيع المادة في العينة (قلق يؤثر على الخواص الميكانيكية للمادة الصلبة المعنية).

مثال على شيء له كثافة يمكن التنبؤ بها ضمن نطاق معين ، ولكن له أيضًا مستويات متفاوتة بشكل كبير من الكثافة في جميع أنحاء الجسم البشري ، والتي تتكون من نسبة ثابتة إلى حد ما من الماء والعظام وأنواع أخرى من الانسجة. يتم التعبير عن الكثافة باستخدام الحرف اليوناني rho:

غالبًا ما يتم الخلط بين الكثافة والكتلةوزن، وإن كان لأسباب مختلفة ربما. الوزن هو ببساطة القوة الناتجة عن تسارع الجاذبية المؤثرة على المادة أو الكتلة:

قيمة التسارع بسبب الجاذبية على الأرض 9.8 م / ث². أكتلةمن 10 كيلوغرامات وبالتالي فإن أوزنمن (10 كجم) (9.8 م / ث²) = 98 نيوتن (ن).

يتم أيضًا الخلط بين الوزن نفسه والكثافة ، لسبب بسيط وهو أنه في ظل وجود كائنين من نفس الحجم ، فإن الجسم الذي يحتوي على كثافة أعلى سيكون في الواقع وزنًا أكبر. هذا هو أساس السؤال الخادع القديم ، "أيهما يزن أكثر ، رطل من الريش أم رطل من الرصاص؟" الجنيه هو الجنيه لا يهم ماذا ، ولكن المفتاح هنا هو أن رطل الريش سيأخذ مساحة أكبر بكثير من رطل الرصاص بسبب الرصاص أكبر بكثير كثافة.

مصطلح فيزياء يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالكثافة هوجاذبية معينة(SG). هذه فقط كثافة مادة معينة مقسومة على كثافة الماء. يتم تحديد كثافة الماء على أنها بالضبط 1 جم / مل (أو ما يعادله ، 1 كجم / لتر) عند درجة حرارة الغرفة العادية ، 25 درجة مئوية. هذا لأن تعريف اللتر ذاته في وحدات النظام الدولي (النظام الدولي ، أو "متري") هو كمية الماء التي يبلغ وزنها 1 كجم.

ظاهريًا ، إذن ، يبدو أن هذا يجعل من SG قطعة تافهة نوعًا ما من المعلومات: لماذا نقسم على 1؟ في الحقيقة ، هناك سببان. أحدهما أن كثافة الماء والمواد الأخرى تختلف قليلاً مع درجة الحرارة حتى داخل نطاقات درجة حرارة الغرفة ، لذلك عند الحاجة إلى قياسات دقيقة ، يجب حساب هذا الاختلاف لأن قيمة ρ هي درجة الحرارة متكل.

أيضًا ، بينما تحتوي الكثافة على وحدات g / mL أو ما شابه ذلك ، فإن SG غير وحدة ، لأنها مجرد كثافة مقسومة على كثافة. حقيقة أن هذه الكمية ثابتة فقط تجعل بعض الحسابات التي تتضمن الكثافة أسهل.

ربما يكمن أعظم تطبيق عملي لكثافة المواد الصلبةمبدأ أرخميدس، تم اكتشافه منذ آلاف السنين من قبل عالم يوناني يحمل نفس الاسم. يؤكد هذا المبدأ أنه عندما يتم وضع جسم صلب في مائع ، فإن الكائن يخضع لشبكة تصاعديةقوة الطفويساويوزنمن السائل النازح.

هذه القوة هي نفسها بغض النظر عن تأثيرها على الجسم ، والذي قد يؤدي إلى دفعه نحو السطح (إذا كانت كثافة الجسم أقل من كثافة السائل) ، اسمح لها لتطفو في مكانها تمامًا (إذا كانت كثافة الجسم مساوية تمامًا لكثافة السائل) أو السماح لها بالغرق (إذا كانت كثافة الكائن أكبر من كثافة السائل سائل).

رمزيًا ، يتم التعبير عن هذا المبدأ كـF_ب = دبليو_F,أينF​_ب هي قوة الطفو ودبليو​_F هو وزن السائل المزاح.

من الطرق المختلفة المستخدمة لتحديد كثافة المادة الصلبة ،الوزن الهيدروستاتيكيهو المفضل لأنه الأكثر دقة ، إن لم يكن الأكثر ملاءمة. معظم المواد الصلبة ذات الأهمية ليست في شكل أشكال هندسية أنيقة ذات أحجام محسوبة بسهولة ، مما يتطلب تحديدًا غير مباشر للحجم.

هذا هو أحد مناحي الحياة العديدة التي أصبح مبدأ أرخميدس مفيدًا فيها. يتم وزن الهدف في كل من الهواء وفي سائل ذي كثافة معروفة (من الواضح أن الماء هو خيار مفيد). إذا كان جسم كتلته 60 كجم (W = 588 N) يزيح 50 لترًا من الماء عند غمره للوزن ، فيجب أن تكون كثافته 60 كجم / 50 لترًا = 1.2 كجم / لتر.

إذا أردت ، في هذا المثال ، إبقاء هذا الجسم الأكثر كثافة من الماء معلقًا في مكانه عن طريق تطبيق قوة صاعدة بالإضافة إلى قوة الطفو ، فما مقدار هذه القوة؟ ما عليك سوى حساب الفرق بين وزن الماء المزاح ووزن الجسم: 588 نيوتن - (50 كجم) (9.8 م / ث²) = 98 نيوتن.

• في هذا السيناريو ، سيكون 1/6 من حجم الكائن بارزًا فوق الماء ، لأن كثافة الماء تبلغ 5/6 من كثافة الجسم (1 جم / مل مقابل 1 جم / مل مقابل 3 سدس). 1.2 جم / مل).

في بعض الأحيان يتم تقديم كائن يحتوي على أكثر من نوع واحد من المواد ، ولكن على عكس مثال جسم الإنسان ، يحتوي على هذه المواد بطريقة موزعة بشكل موحد. بمعنى ، إذا أخذت عينة صغيرة من المادة ، فستكون لها نفس نسبة المادة أ إلى المادة ب مثل الكائن بأكمله.

أحد المواقف التي يحدث فيها هذا هو في الهندسة الإنشائية ، حيث تتكون الحزم والعناصر الداعمة الأخرى غالبًا من نوعين من المواد: المصفوفة (M) والألياف (F). إذا كانت لديك عينة من هذا الشعاع مكونة من نسبة حجم معروفة لهذين العنصرين ، وتعرف كثافتهما الفردية ، يمكنك حساب كثافة المركب (ρ_ج) باستخدام المعادلة التالية:

أين ρ_F و ρ_م و V._F و Vm هي الكثافة وأجزاء الحجم (أي النسبة المئوية للحزمة التي تتكون من ألياف أو مصفوفة ، محولة إلى رقم عشري) لكل نوع من المواد.

​مثال:تحتوي عينة 1000 مل من كائن غامض على 70 بالمائة من مادة صخرية بكثافة 5 جم / مل و 30 بالمائة مادة شبيهة بالهلام بكثافة 2 جم / مل. ما هي كثافة الجسم (المركب)؟