Как да определим плътността на твърдите материали

Когато видите или чуете думатаплътност,ако изобщо сте запознати с термина, той най-вероятно извиква в ума ви образи на „претъпканост“: задръстени градски улици, да речем, или необичайната дебелина на дърветата в част от парка във вашия квартал.

И по същество това се отнася до плътността: концентрация на нещо, с акцент не върху общото количество на нещо в сцената, а колко е разпределено в наличното пространство.

Плътността е критично понятие в света на физическите науки. Той предлага начин за свързване на основнотоматерия -нещата от ежедневието, които обикновено (но не винаги) могат да се видят и усетят или поне по някакъв начин да бъдат уловени при измервания в лабораторна обстановка - до основното пространство, самата рамка, която използваме за навигация по света. Различните видове материя на Земята могат да имат много различна плътност, дори само в сферата на твърдата материя.

Измерването на плътността на твърдите вещества се извършва с помощта на методи, различни от тези, използвани за определяне на плътността на течностите и газовете. Най-точният начин за измерване на плътността често зависи от експерименталната ситуация и от това дали пробата включва само един вид материя (материал) с известни физични и химични свойства или множество видове.

Във физиката,плътността на пробата от материала е просто общата маса на пробата, разделена на нейния обем, независимо от начина на разпределение на материята в пробата (проблем, който влияе върху механичните свойства на въпросното твърдо вещество).

Пример за нещо, което има предвидима плътност в рамките на даден диапазон, но има и много различни нива на плътност, е човешкото тяло, което се състои от повече или по-малко съотношение на вода, кости и други видове тъкан. Плътността се изразява с помощта на гръцката буква rho:

Плътността и масата често се бъркат стегло, макар и по може би различни причини. Теглото е просто силата, произтичаща от ускорението на гравитацията, действащо върху материята или масата:

На Земята ускорението поради гравитацията има стойността 9,8 m / s². Aмасапо този начин има 10 кгтеглоот (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 нютона (N).

Самото тегло също се бърка с плътността, поради простата причина, че като се имат предвид два обекта с еднакъв размер, този с по-висока плътност всъщност ще тежи повече. Това е основата на стария трик въпрос „Кое тежи повече, килограм пера или килограм олово?“ Паундът е паунд без значение какво, но ключовото тук е, че килограмът пера ще заема много повече място, отколкото един килограм олово, защото оловото е много по-голямо плътност.

Терминът физика, тясно свързан с плътността, еспецифично тегло(ДВ). Това е просто плътността на даден материал, разделена на плътността на водата. Плътността на водата се определя точно 1 g / mL (или еквивалентно, 1 kg / L) при нормална стайна температура, 25 ° C. Това е така, защото самото определение за литър в SI (международна система или „метрична“) единица е количеството вода, което има маса 1 kg.

На пръв поглед това изглежда изглежда прави SG тривиална информация: Защо да се дели на 1? Всъщност има две причини. Единият е, че плътността на водата и другите материали леко варира в зависимост от температурата, дори в границите на стайна температура, така че когато са необходими прецизни измервания, тази промяна трябва да бъде отчетена, тъй като стойността на ρ е температура зависим.

Също така, докато плътността има единици g / ml или други подобни, SG е без единица, защото това е просто плътност, разделена на плътност. Фактът, че това количество е просто константа, улеснява някои изчисления, включващи плътност.

Може би най-голямото практическо приложение на плътността на твърдите материали се крие вПринцип на Архимед, открит преди хилядолетия от гръцки учен със същото име. Този принцип твърди, че когато твърд обект се постави в течност, обектът е подложен на мрежа нагореплаваща силаравна натеглона изместената течност.

Тази сила е една и съща, независимо от нейния ефект върху обекта, който може да бъде да го изтласка към повърхността (ако плътността на обекта е по-малка от тази на течността), да му позволи да плава идеално на място (ако плътността на обекта е точно равна на тази на течността) или да му позволи да потъне (ако плътността на обекта е по-голяма от тази на течност).

Символично този принцип се изразява катоF_Б. = W_е,къдетоF​_Б. е плаващата сила иW​_е е теглото на изместената течност.

От различните методи, използвани за определяне на плътността на твърд материал,хидростатично претеглянее предпочитан, защото е най-точен, ако не и най-удобен. Повечето интересни твърди материали не са под формата на спретнати геометрични форми с лесно изчислими обеми, изискващи косвено определяне на обема.

Това е една от многото сфери на живота, която принципът на Архимед е полезен. Субектът се претегля както във въздух, така и в течност с известна плътност (водата очевидно е полезен избор). Ако обект с „сухоземна“ маса 60 kg (W = 588 N) измества 50 L вода, когато е потопен за претегляне, плътността му трябва да бъде 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Ако в този пример искате да запазите този обект, по-плътен от водата, окачен на място чрез прилагане на сила нагоре в допълнение към плаващата сила, каква би била величината на тази сила? Вие просто изчислявате разликата между теглото на изместената вода и теглото на обекта: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• В този сценарий 1/6 от обема на обекта ще стърчи над водата, тъй като водата е само 5 / 6th толкова плътна, колкото обекта (1 g / mL vs. 1,2 g / ml).

Понякога ви се представя обект, който съдържа повече от един вид материал, но за разлика от примера на човешкото тяло, съдържа тези материали по еднакво разпределен начин. Тоест, ако вземете малка проба от материала, той ще има същото съотношение на материал А към материал В, както целият обект.

Една ситуация, при която това се случва, е в конструкционното инженерство, където гредите и другите поддържащи елементи често са направени от два вида материали: матрица (M) и влакно (F). Ако имате проба от този лъч, съставена от известно съотношение на обема на тези два елемента, и знаете техните индивидуални плътности, можете да изчислите плътността на композита (ρ_{° С}) използвайки следното уравнение:

Където ρ_F и ρ_М и V_F и Vm са плътностите и обемните фракции (т.е. процентът на лъча, състоящ се от влакно или матрица, преобразуван в десетично число) на всеки вид материал.

​Пример:Проба от 1000 ml от загадъчен обект съдържа 70% скалист материал с плътност 5 g / ml и 30% гелоподобен материал с плътност 2 g / ml. Каква е плътността на обекта (композитен)?