Sådan bestemmes tætheden af ​​faste materialer

Når du ser eller hører ordetmassefylde,hvis du overhovedet er bekendt med udtrykket, indkalder det sandsynligvis billeder af "overfyldthed" til dig: jamfyldte bygader, siger vi eller træernes usædvanlige tykkelse i en del af en park i din kvarter.

Og i det væsentlige er det, hvad tæthed henviser til: en koncentration af noget, med ikke vægt på den samlede mængde af noget i scenen, men hvor meget der er fordelt på det tilgængelige rum.

Tæthed er et kritisk begreb i den fysiske videnskab. Det giver en måde at forholde sig til grundlæggendestof -de ting i hverdagen, der normalt (men ikke altid) kan ses og mærkes eller i det mindste på en eller anden måde erobres i målinger i laboratorieindstillinger - til grundlæggende rum, selve rammen vi bruger til at navigere i verden. Forskellige former for stof på Jorden kan have meget forskellige densiteter, selv inden for fast stof alene.

Tæthedsmåling af faste stoffer udføres ved hjælp af forskellige metoder end dem, der anvendes til at analysere densiteterne af væsker og gasser. Den mest nøjagtige måde at måle tæthed afhænger ofte af den eksperimentelle situation, og om din prøven indeholder kun en type stof (materiale) med kendte fysiske og kemiske egenskaber eller flere typer.

I fysik,densiteten af ​​en materialeprøve er bare den samlede masse af prøven divideret med dens volumenuanset hvordan sagen i prøven fordeles (en bekymring, der påvirker det pågældende faste stofs mekaniske egenskaber).

Et eksempel på noget, der har en forudsigelig tæthed inden for et givet interval, men som også har meget forskellige niveauer af densitet overalt, er den menneskelige krop, der består af et mere eller mindre fast forhold mellem vand, knogler og andre typer væv. Densitet udtrykkes ved hjælp af det græske bogstav rho:

Densitet og masse forveksles ofte medvægt, dog af måske forskellige grunde. Vægt er simpelthen den kraft, der skyldes tyngdeacceleration, der virker på stof eller masse:

På jorden har accelerationen på grund af tyngdekraften værdien 9,8 m / s². ENmassepå 10 kg har således envægtpå (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newton (N).

Vægten i sig selv er også forvekslet med densitet, af den enkle grund, at givet to objekter af samme størrelse, vil den med en højere densitet faktisk veje mere. Dette er grundlaget for det gamle trick-spørgsmål, "Hvilket vejer mere, et pund fjer eller et pund bly?" Et pund er et pund uanset hvad, men nøglen her er, at pund fjer vil tage langt mere plads end et pund bly på grund af bly, der er langt større massefylde.

Et fysikudtryk, der er tæt knyttet til tæthed, erspecifik tyngdekraft(SG). Dette er kun tætheden af ​​et givet materiale divideret med tætheden af ​​vand. Vandtætheden er defineret til at være nøjagtigt 1 g / ml (eller tilsvarende 1 kg / l) ved normal stuetemperatur, 25 ° C. Dette skyldes, at selve definitionen af ​​en liter i SI (internationale system eller "metriske") enheder er den mængde vand, der har en masse på 1 kg.

På overfladen ser dette ud til at gøre SG til et ret trivielt stykke information: Hvorfor dele med 1? Der er faktisk to grunde. Den ene er, at tætheden af ​​vand og andre materialer varierer lidt med temperaturen selv inden for rumtemperaturområder, så når der er behov for præcise målinger, skal denne variation tages i betragtning, fordi værdien af ​​ρ er temperatur afhængig.

Selvom densitet har enheder på g / ml eller lignende, er SG også enhedsløs, fordi det bare er en densitet divideret med en densitet. Det faktum, at denne mængde kun er en konstant, gør nogle beregninger med densitet lettere.

Måske ligger den største praktiske anvendelse af massefylde af faste materialer iArchimedes 'princip, opdaget for årtusinder siden af ​​en græsk forsker med samme navn. Dette princip hævder, at når en fast genstand placeres i en væske, er genstanden underlagt et net opadflydende kraftlig medvægtaf den fortrængte væske.

Denne kraft er den samme uanset dens virkning på genstanden, hvilket kan være at skubbe den mod overfladen (hvis genstandens tæthed er mindre end væskens), tillad den flyde perfekt på plads (hvis genstandens tæthed er nøjagtigt lig med væskens) eller lade den synke (hvis densiteten af ​​objektet er større end dens væske).

Symbolisk udtrykkes dette princip somF_B = W_f,hvorF​_B er den kraftige kraft ogW​_f er vægten af ​​den fortrængte væske.

Af de forskellige metoder, der anvendes til at bestemme massefylden af ​​et fast materiale,hydrostatisk vejninger det foretrukne, fordi det er den mest nøjagtige, hvis ikke den mest praktiske. De fleste faste materialer af interesse er ikke i form af pæne geometriske former med let beregnede volumener, der kræver en indirekte bestemmelse af volumen.

Dette er en af ​​de mange samfundslag, som Archimedes 'princip kommer til nytte. Et motiv vejes i både luft og i en væske med kendt densitet (vand er naturligvis et nyttigt valg). Hvis en genstand med en "landmasse" på 60 kg (W = 588 N) fortrænger 50 L vand, når den nedsænkes til vejning, skal dens densitet være 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Hvis du i dette eksempel ønskede at holde denne tættere end vand-genstand ophængt på plads ved at anvende en opadgående kraft ud over den kraftige kraft, hvad ville størrelsen af ​​denne kraft være? Du beregner blot forskellen mellem vægten af ​​det fortrængte vand og genstandens vægt: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• I dette scenario vil 1/6 af objektets volumen stikke ud over vandet, fordi vandet kun er 5 / 6'ere så tæt som objektet (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Nogle gange får du et objekt, der indeholder mere end en type materiale, men i modsætning til eksemplet med menneskekroppen indeholder disse materialer på en ensartet fordelt måde. Det vil sige, hvis du tog en lille prøve af materialet, ville det have det samme forhold mellem materiale A og materiale B som hele objektet gør.

En situation, hvor dette sker, er inden for strukturteknik, hvor bjælker og andre støtteelementer ofte er lavet af to typer materiale: matrix (M) og fiber (F). Hvis du har en prøve af denne stråle, der består af et kendt volumenforhold mellem disse to elementer og kender deres individuelle tætheder, kan du beregne densiteten af ​​kompositten (ρ_C) ved hjælp af følgende ligning:

Hvor ρ_F og ρ_M og V_F og Vm er densiteterne og volumenfraktionerne (dvs. procentdelen af ​​strålen bestående af fiber eller matrix, konverteret til et decimaltal) for hver type materiale.

​Eksempel:En prøve på 1.000 ml af et mysterieobjekt indeholder 70 procent stenigt materiale med en densitet på 5 g / ml og 30 procent gelignende materiale med en densitet på 2 g / ml. Hvad er densitet af objektet (komposit)?