Jak řešit specifickou gravitaci

„Specifická gravitace“ je na první pohled poněkud zavádějící termín. Nemá to nic společného s gravitací, což je zjevně nepostradatelný koncept v řadě fyzikálních problémů a aplikací. Místo toho se vztahuje k množství hmoty (hmotnosti) konkrétní látky v daném objemu, postaveno proti standardu možná nejdůležitější a všudypřítomné látky známé lidstvu - voda.

Zatímco specifická gravitace výslovně nepoužívá hodnotu zemské gravitace (která se často označuje jako síla, ale ve skutečnosti má jednotky zrychlení ve fyzice - přesněji 9,8 metrů za sekundu na povrchu planety), gravitace je nepřímým faktorem, protože věci, které jsou „těžší“, mají vyšší hodnoty specifické hmotnosti než věci, které jsou „lehčí“. Ale co znamenají slova jako „těžký“ a „lehký“ formální smysl? K tomu slouží fyzika.

Za prvé, měrná hmotnost velmi úzce souvisí s hustotou a termíny jsou často používány zaměnitelně. Stejně jako u mnoha konceptů ve světě vědy je to obecně přijatelné, ale při zvažování vliv, který mohou mít malé změny ve smyslu a množstvích na fyzický svět, to není zanedbatelné rozdíl.

Hustota je jednoduše hmotnost děleno objemem, tečka. Pokud dostanete hodnotu hmotnosti něčeho a víte, kolik místa zabírá, můžete okamžitě vypočítat jeho hustotu. (I zde mohou nastat kopřivité problémy. Tento výpočet předpokládá, že materiál má rovnoměrné složení v celé své hmotnosti a objemu a že jeho hustota je proto stejnoměrná. Jinak vypočítáváte pouze průměrnou hustotu, která může nebo nemusí vyhovovat požadavkům daného problému.)

Samozřejmě pomáhá mít číslo, které má smysl, když máte s výpočtem hotovo - to se běžně používá. Takže pokud máte hmotnost něčeho v uncích a objem v mikrolitrech, řekněme, dělení hmoty na objem pro získání hustoty vám zanechá velmi nepříjemné jednotky uncí na mikrolitry. Místo toho se zaměřte na jednu ze společných jednotek, například g / ml nebo gramů na mililitr (což je totéž jako g / cm³, nebo gramy na centimetr krychlový). Podle původní definice má 1 ml čisté vody hmotnost velmi, velmi blízkou 1 g, tak blízkou, že hustota vody je pro každodenní účely téměř vždy jednoduše zaokrouhlena na „přesně“ 1; díky tomu je g / ml obzvláště užitečnou jednotkou a do hry vstupuje se specifickou hmotností.

Hustota látek je zřídka konstantní. To platí zejména pro kapaliny a plyny (tj. Kapaliny), které jsou citlivější na změny teploty než pevné látky. Kapaliny a plyny také umožňují přidávání extra hmoty bez změny objemu způsobem, který pevné látky nemohou.

Například voda existuje v kapalném stavu mezi 0 stupni Celsia a 100 ° C. Jak se ohřívá od spodního konce tohoto rozsahu k hornímu konci, rozšiřuje se. To znamená, že stejné množství hmoty spotřebovává stále větší objem se stoupající teplotou. Výsledkem je, že voda se s rostoucí teplotou stává méně hustou.

Dalším způsobem, jakým kapaliny procházejí změnami hustoty, je přidání částic, které se v kapalině rozpouštějí, nazývané rozpuštěné látky. Například sladká voda obsahuje velmi málo soli (chlorid sodný), zatímco mořská voda ji skvěle obsahuje. Když se do vody přidá sůl, její hmotnost se zvyšuje, zatímco její objem se z praktických důvodů nezvyšuje. To znamená, že mořská voda je hustší než sladká voda a mořská voda se zvláště vysokou slaností (obsahem soli) ano hustší než typická mořská voda nebo mořská voda s relativně malým množstvím soli, například v blízkosti úst velké sladkovodní vody řeka.

Důsledkem těchto rozdílů je to, že méně husté materiály vyvíjejí nižší tlak než hustší materiály vytváří voda často vrstvy na základě rozdílů teplot, slanosti nebo některých jiných kombinace. Například voda, která se již nachází v blízkosti jejího povrchu, bude ohřívána sluncem více než voda hlubší, čímž je tato povrchová voda méně hustá, a proto je ještě pravděpodobnější, že se udrží na vrstvách vody pod.

Jednotky měrné hmotnosti jsou ne stejné jako u hustoty, což je hmotnost na jednotku objemu. Je to proto, že vzorec měrné hmotnosti se mírně liší: Jedná se o hustotu zkoumaného materiálu dělenou hustotou vody. Formálnější je rovnice specifické hmotnosti:

(hmotnost materiálu ÷ objem materiálu) ÷ (hmotnost vody ÷ objem vody)

Pokud se ke změření objemu vody a objemu látky použije stejná nádoba, pak tyto objemy lze považovat za stejné a započítat je do výše uvedené rovnice, takže vzorec pro měrnou hmotnost tak jako:

(hmotnost materiálu ÷ hmotnost vody)

Protože hustota dělená hustotou a hmota dělená hmotou jsou bezjednotkové, měrná hmotnost je také bezjednotková. Je to prostě číslo.

Hmotnost vody v nádobě se stálou vodou se bude měnit s teplotou vody, která se ve většině případů blíží teplotě místnosti, ve které se nachází, pokud sedí na nějaký čas. Připomeňme, že hustota vody klesá s teplotou, jak se voda rozšiřuje. Konkrétně má voda při teplotě 10 ° C hustotu 0,9997 g / ml, zatímco voda při 20 ° C má hustotu 0,9982 g / ml. Voda při 30 ° C má hustotu 0,9956 g / ml. Tyto rozdíly v desetinách procenta se na povrchu mohou zdát banální, ale když chcete určit hustotu látky s velkou přesností, musíte se uchýlit k použití specifické gravitace.

Specifický objem, označený proti (malé „v“ a nesmí být zaměňováno s rychlostí; Kontext by zde měl být nápomocen), jedná se o termín aplikovaný na plyny, a je to objem plynu dělený jeho hmotností neboli V / m. Toto je pouze převrácená hodnota hustoty plynu. Jednotky zde jsou obvykle m³/ kg spíše než ml / g, což je to, co můžete očekávat vzhledem k nejběžnější jednotce hustoty. Proč by to mohlo být Vezměme v úvahu povahu plynů: Jsou velmi rozptýlené a shromáždit jejich značné množství není snadné, pokud není schopen jednat ve větších objemech.

Koncept vztlaku navíc souvisí s hustotou. V předchozí části bylo uvedeno, že objekty s vyšší hustotou vyvíjejí větší tlak směrem dolů než objekty s nižší hustotou. Obecněji to znamená, že předmět umístěný ve vodě se potopí, pokud je jeho hustota větší než hustota vody, ale vznáší se, pokud je jeho hustota menší než hustota vody. Jak byste vysvětlili chování kostek ledu pouze na základě toho, co jste si přečetli zde?

V každém případě vztlaková síla je síla tekutiny na předmět ponořený do této tekutiny, která působí proti gravitační síle, která nutí předmět klesat. Čím hustší je tekutina, tím větší vztlaková síla bude na daný objekt působit, což se odráží v nižší pravděpodobnosti potopení tohoto předmětu.