La masa y la densidad, junto con el volumen, el concepto que une estas dos cantidades, física y matemáticamente, son dos de los conceptos más fundamentales en la ciencia física. A pesar de esto, y aunque la masa, la densidad, el volumen y el peso están involucrados en innumerables millones de cálculos en todo el mundo todos los días, muchas personas se confunden fácilmente con estas cantidades.
Densidad,que en términos físicos y cotidianos simplemente se refiere a una concentración de algo dentro de un espacio definido dado, generalmente significa "densidad de masa" y, por lo tanto, se refiere a lacantidad de materia por unidad de volumen. Abundan los conceptos erróneos sobre la relación entre densidad y peso. Estos son comprensibles y se aclaran fácilmente para la mayoría con una revisión como esta.
Además, el concepto dedensidad compuestaes importante. Muchos materiales consisten naturalmente en, o se fabrican a partir de, una mezcla de elementos o moléculas estructurales, cada uno con su propia densidad. Si conoce la proporción de materiales individuales entre sí en el artículo de interés y puede buscar o De lo contrario, averigüe sus densidades individuales, luego puede determinar la densidad compuesta del material como entero.
Definición de densidad
A la densidad se le asigna la letra griega rho (ρ) y es simplemente la masa de algo dividida por su volumen total:
\ rho = \ frac {m} {V}
Las unidades SI (estándar internacional) son kg / m3, ya que los kilogramos y los metros son unidades básicas del SI para masa y desplazamiento ("distancia") respectivamente. Sin embargo, en muchas situaciones de la vida real, los gramos por mililitro o g / mL son una unidad más conveniente. Un mL = 1 centímetro cúbico (cc).
La forma de un objeto con un volumen y masa dados no afecta su densidad, incluso si esto puede afectar las propiedades mecánicas del objeto. De manera similar, dos objetos de la misma forma (y, por lo tanto, de volumen) y masa siempre tienen la misma densidad, independientemente de cómo se distribuya esa masa.
Una esfera sólida de masaMETROy radioRcon su masa distribuida uniformemente por toda la esfera y una esfera sólida de masaMETROy radioRcon su masa concentrada casi en su totalidad en una delgada "capa" exterior tienen la misma densidad.
La densidad del agua (H2O) a temperatura ambiente y presión atmosférica se define como exactamente 1 g / mL (o equivalentemente, 1 kg / L).
Principio de Arquimedes
En los días de la antigua Grecia, Arquímedes demostró con bastante ingenio que cuando un objeto se sumerge en agua (o cualquier fluido), la fuerza que experimenta es igual a la masa del agua desplazada multiplicada por la gravedad (es decir, el peso del agua). Esto conduce a la expresión matemática
m_ {obj} -m_ {app} = \ rho_ {fl} V_ {obj}
En palabras, esto significa que la diferencia entre la masa medida de un objeto y su masa aparente cuando está sumergido, dividida por la densidad del fluido, da el volumen del objeto sumergido. Este volumen se percibe fácilmente cuando el objeto es un objeto de forma regular, como una esfera, pero la ecuación es útil para calcular los volúmenes de objetos de formas extrañas.
Masa, volumen y densidad: conversiones y datos de interés
A L es 1000 cc = 1000 mL. La aceleración debida a la gravedad cerca de la superficie de la Tierra esgramo= 9,80 m / s2.
Porque 1 L = 1000 cc = (10 cm × 10 cm × 10 cm) = (0,1 m × 0,1 m × 0,1 m) = 10-3 metro3, hay 1.000 litros en un metro cúbico. Esto significa que un recipiente sin masa en forma de cubo de 1 m de cada lado podría contener 1.000 kg = 2.204 libras de agua, más de una tonelada. Recuerde, un metro es sólo aproximadamente tres pies y cuarto; ¡El agua es quizás más "espesa" de lo que pensaba!
Desigual vs. Distribución de masa uniforme
La mayoría de los objetos del mundo natural tienen su masa distribuida de manera desigual en cualquier espacio que ocupen. Tu propio cuerpo es un ejemplo; Puede determinar su masa con relativa facilidad utilizando una báscula diaria, y si tuviera el equipo adecuado, podría determinar el volumen de su cuerpo sumergiéndose en una tina de agua y empleando el método de Arquímedes principio.
Pero sabes que algunas partes son mucho más densas que otras (hueso vs. grasa, por ejemplo), por lo que hayvariación localen densidad.
Algunos objetos pueden tener una composición uniforme y, por tanto,densidad uniforme, a pesar de estar formado por dos o más elementos o compuestos. Esto puede ocurrir naturalmente en forma de ciertos polímeros, pero es probable que sea una consecuencia de un proceso de fabricación estratégico, por ejemplo, cuadros de bicicleta de fibra de carbono.
Esto significa que, a diferencia del caso de un cuerpo humano, obtendría una muestra de material de la misma densidad sin importar en qué parte del objeto lo extrajera o cuán pequeño fuera. En términos de receta, está "completamente mezclado".
Densidad de materiales compuestos
La densidad de masa simple demateriales compuestos, o materiales hechos de dos o más materiales distintos con densidades individuales conocidas, pueden elaborarse usando un proceso simple.
- Encuentre las densidades de todos los compuestos (o elementos) en la mezcla. Estos se pueden encontrar en muchas tablas en línea; consulte Recursos para ver un ejemplo.
- Convierta la contribución del percentil de cada elemento o compuesto a la mezcla a un número decimal (un número entre 0 y 1) dividiendo por 100.
- Multiplica cada decimal por la densidad de su correspondiente compuesto o elemento.
- Suma los productos del paso 3. Esta será la densidad de la mezcla en las mismas unidades seleccionadas al inicio o el problema.
Por ejemplo, digamos que le dan 100 ml de un líquido que es 40 por ciento de agua, 30 por ciento de mercurio y 30 por ciento de gasolina. Cual es la densidad de la mezcla?
Sabes que para el agua, ρ = 1.0 g / mL. Consultando la tabla, encuentra que ρ = 13.5 g / mL para mercurio y ρ = 0.66 g / mL para gasolina. (Esto sería una mezcla muy tóxica, para el registro). Siguiendo el procedimiento anterior:
(0.40) (1.0) + (0.30) (13.5) + (0.30) (0.66) = 4.65 \ text {g / mL}
La alta densidad de la contribución de mercurio aumenta la densidad general de la mezcla muy por encima de la del agua o la gasolina.
Modulos elasticos
En algunos casos, en contraste con la situación anterior en la que solo se busca una densidad verdadera, la regla de mezcla para compuestos de partículas significa algo diferente. Es una preocupación de ingeniería que relaciona la resistencia general a la tensión de una estructura lineal, como una viga, con la resistencia de su estructura individual.fibraymatrizcomponentes, ya que tales objetos a menudo se diseñan estratégicamente para cumplir con ciertos requisitos de soporte de carga.
Esto a menudo se expresa en términos del parámetro conocido comomodulos elasticosmi(también llamadoEl módulo de Young, o elmódulo de elasticidad). El cálculo del módulo de elasticidad de los materiales compuestos es bastante sencillo desde un punto de vista algebraico. Primero, busque los valores individuales paramidel en una tabla como la de Recursos. Con los volúmenesVde cada componente en la muestra elegida conocida, use la relación
E_C = E_FV_F + E_MV_M
DóndemiCes el módulo de la mezcla y los subíndicesFyMETROse refieren a componentes de fibra y matriz respectivamente.
- Esta relación también se puede expresar como (VMETRO + VF ) = 1 oVMETRO = (1 - VF ).