Как да изчислим композитната плътност

Масата и плътността - заедно с обема, концепцията, която физически и математически свързва тези две величини, са две от най-фундаменталните понятия във физическата наука. Въпреки това и въпреки че масата, плътността, обемът и теглото всеки ден участват в безброй милиони изчисления по целия свят, много хора лесно се объркват от тези количества.

​Плътност,което както във физически, така и в ежедневен план просто се отнася до концентрация на нещо в дадено определено пространство, обикновено означава "плътност на масата" и по този начин се отнася доколичество вещество в единица обем. Съществуват множество заблуди относно връзката между плътността и теглото. Те са разбираеми и лесно се изясняват за повечето с преглед като този.

В допълнение, концепцията закомпозитна плътносте важно. Много материали естествено се състоят или са произведени от смес или елементи или структурни молекули, всеки със собствена плътност. Ако знаете съотношението на отделните материали един към друг в предмета, който ви интересува, и можете да потърсите или в противен случай разберете техните индивидуални плътности, тогава можете да определите съставната плътност на материала като дупка.

Плътността е определена с гръцката буква rho (ρ) и е просто масата на нещо, разделена на общия му обем:

SI (стандартните международни) единици са kg / m³, тъй като килограмите и метрите са базови SI единици за маса и изместване ("разстояние") съответно. Въпреки това, в много ситуации от реалния живот грамовете на милилитър или g / mL са по-удобна единица. Един mL = 1 кубичен сантиметър (cc).

Формата на обект с даден обем и маса не оказва влияние върху плътността му, дори ако това може да повлияе на механичните свойства на обекта. По същия начин два обекта с еднаква форма (а оттам и обем) и маса винаги имат еднаква плътност, независимо от това как тази маса е разпределена.

Солидна сфера на масатаМи радиусRс масата си, разпределена равномерно в сферата и твърда сфера на масатаМи радиусRсъс своята маса, концентрирана почти изцяло в тънка външна "обвивка", имат същата плътност.

Плътността на водата (H₂O) при стайна температура и атмосферно налягане се определя точно като 1 g / mL (или еквивалентно на 1 kg / L).

По времето на древна Гърция Архимед доста гениално доказа, че когато даден обект е потопен във вода (или която и да е друга течност), силата, която изпитва, е равна на масата на водата, изместена в гравитацията (т.е. теглото на вода). Това води до математическия израз

С думи, това означава, че разликата между измерената маса на обекта и привидната му маса, когато е потопена, разделена на плътността на течността, дава обема на потопения обект. Този обем се разпознава лесно, когато обектът е с правилна форма, например сфера, но уравнението е полезно за изчисляване обема на странно оформени обекти.

A L е 1000 cc = 1000 ml. Ускорението поради гравитацията близо до повърхността на Земята еж= 9,80 m / s².

Тъй като 1 L = 1000 cc = (10 cm × 10 cm × 10 cm) = (0,1 m × 0,1 m × 0,1 m) = 10^-3 м³, има 1000 литра в кубичен метър. Това означава, че безмасов кубовиден контейнер на 1 м от всяка страна може да побере 1000 кг = 2 204 паунда вода, надвишаващ един тон. Не забравяйте, че метърът е само около три и четвърт фута; водата е може би "по-дебела", отколкото си мислихте!

Повечето обекти в естествения свят имат своята маса неравномерно разпределена в пространството, което заемат. Вашето собствено тяло е пример; Можете да определите масата си с относителна лекота, като използвате ежедневна везна и ако сте разполагали с подходящото оборудване, вие можете да определите обема на тялото си, като се потопите във вана с вода и използвате Архимед принцип.

Но знаете, че някои части са много по-плътни от други (кост срещу. мазнини например), така че ималокална вариацияв плътност.

Някои обекти могат да имат еднакъв състав и следователноеднаква плътност, въпреки че са направени от два или повече елемента или съединения. Това може да се случи естествено под формата на определени полимери, но вероятно е следствие от стратегически производствен процес, например рамки за велосипеди от въглеродни влакна.

Това означава, че за разлика от случая с човешко тяло, вие ще получите проба от материал със същата плътност, независимо къде в обекта сте го извлекли или колко малък е бил той. По отношение на рецептата, той е „напълно смесен“.

Простата плътност на масатакомпозитни материали, или материали, направени от два или повече различни материала с известни индивидуални плътности, могат да бъдат обработени с помощта на прост процес.

1. Намерете плътността на всички съединения (или елементи) в сместа. Те могат да бъдат намерени в много онлайн таблици; вижте Ресурси за пример.
2. Преобразувайте процентилния принос на всеки елемент или съединение в сместа в десетично число (число между 0 и 1), като разделите на 100.
3. Умножете всеки десетичен знак по плътността на съответното му съединение или елемент.
4. Съберете продуктите от стъпка 3. Това ще бъде плътността на сместа в същите единици, избрани в началото или проблема.

Например, да кажем, че ви се дават 100 ml течност, която е 40 процента вода, 30 процента живак и 30 процента бензин. Каква е плътността на сместа?

Знаете, че за вода ρ = 1,0 g / mL. Консултирайки се с таблицата, откривате, че ρ = 13,5 g / ml за живак и ρ = 0,66 g / ml за бензин. (Това би направило много токсична смес, за протокола.) Следвайки горната процедура:

Високата плътност на приноса на живак повишава общата плътност на сместа значително над тази на водата или бензина.

В някои случаи, за разлика от предишната ситуация, в която се търси само истинска плътност, правилото за смес за композити на частици означава нещо различно. Това е инженерна загриженост, която свързва общата устойчивост на напрежение на линейна структура като греда със съпротивлението на нейния индивидфибрииматрицасъставни части, тъй като такива обекти често са стратегически проектирани, за да отговарят на определени изисквания за носене.

Това често се изразява чрез параметъра, известен катомодул на еластичностЕ.​(също наричанМодул на Йънг, илимодул на еластичност). Изчисляването на модула на еластичност на композитни материали е съвсем просто от алгебрична гледна точка. Първо потърсете индивидуалните стойности заЕ.на в таблица като тази в Ресурсите. С томоветеVна всеки компонент в избраната проба, позната, използвайте връзката

КъдетоЕ._{° С}е модулът на сместа и индекситеFиМсе отнасят съответно за компонентите от влакна и матрицата.

• Тази връзка може да се изрази и като (V_М + V​_​F​ ) = 1 илиV​_​М​ = (1 - ​V_F​ ).