Kuidas määrata tahkete materjalide tihedus

Kui näete või kuulete sõnatihedus,kui olete terminiga üldse tuttav, kutsub see teie meelest kõige tõenäolisemalt pilte "rahvarohkest": moosiga pakitud linnatänavad, või teie ebatavaline puude paksus pargi osas naabruskond.

Ja sisuliselt viitab tihedus sellele: millegi kontsentratsioon, rõhuasetusega mitte stseeni millegi koguhulgale, vaid sellele, kui palju on vabasse ruumi jaotatud.

Tihedus on füüsikateaduste maailmas kriitiline mõiste. See pakub võimalust seostada põhitõdesidasi -igapäevaelu asjad, mida tavaliselt (kuid mitte alati) on võimalik näha ja tunda või vähemalt kuidagi tabada laboratoorsetes mõõtmistes - põhiruumi, just selle raamistiku abil, mida kasutame maailmas. Erinevatel ainetel Maal võib olla väga erinev tihedus, isegi ainuüksi tahke aine valdkonnas.

Tahkete ainete tiheduse mõõtmiseks kasutatakse erinevaid meetodeid kui need, mida kasutatakse vedelike ja gaaside tiheduse määramisel. Kõige täpsem viis tiheduse mõõtmiseks sõltub sageli eksperimentaalsest olukorrast ja sellest, kas teie proov sisaldab ainult ühte teadaolevate füüsikaliste ja keemiliste omadustega ainet (materjali) või mitut tüüpi tüübid.

Füüsikasmaterjali proovi tihedus on lihtsalt proovi kogumass jagatud selle mahuga, olenemata sellest, kuidas proovis sisalduv aine jaotub (probleem, mis mõjutab kõnealuse tahke aine mehaanilisi omadusi).

Näide millestki, mille etteantav tihedus on antud vahemikus, kuid mille tasemed on ka väga erinevad tihedus on inimkeha, mis koosneb enam-vähem kindlast vee, luu ja muud liiki fikseeritud vahekorrast pabertaskurätik. Tihedust väljendatakse kreeka tähega rho:

Tihedust ja massi segatakse sagelikaal, ehkki võib-olla erinevatel põhjustel. Kaal on lihtsalt ainele või massile mõjuva raskuskiirenduse tagajärg:

Maal on gravitatsioonist tingitud kiirenduse väärtus 9,8 m / s². Amass10 kg kaalumisel on seega akaal(10 kg) (9,8 m / s²) = 98 njuutonit (N).

Kaalu iseenesest on segi aetud tihedusega, sel lihtsal põhjusel, et arvestades kahte ühesuurust objekti, kaalub suurema tihedusega ese tegelikult rohkem. See on aluseks vanale trikiküsimusele: "Kumb kaalub rohkem, nael sulgi või nael pliid?" Nael on nael ükskõik mis, aga peamine on see, et sulgede nael võtab palju rohkem ruumi kui nael pliid, kuna plii on palju suurem tihedus.

Tihedusega tihedalt seotud füüsikamõiste onerikaal(SG). See on lihtsalt antud materjali tihedus jagatud vee tihedusega. Vee tihedus on määratletud täpselt 1 g / ml (või ekvivalentselt 1 kg / l) normaalsel toatemperatuuril, 25 ° C. Seda seetõttu, et liitri määratlus SI (rahvusvaheline süsteem või "meetermõõdustik") ühikutes on veekogus, mille mass on 1 kg.

Pealtnäha näib, et see teeb SG-st üsna tühise teabe: Miks jagada 1-ga? Tegelikult on kaks põhjust. Üks on see, et vee ja muude materjalide tihedus varieerub temperatuuriga veidi isegi toatemperatuuri piires, nii et kui on vaja täpseid mõõtmisi, tuleb see variatsioon arvesse võtta, kuna ρ väärtus on temperatuur ülalpeetav.

Kuigi tihedusel on ühikud g / ml või muu sarnane, on SG üksuseta, kuna see on lihtsalt tihedus jagatud tihedusega. Asjaolu, et see kogus on ainult konstant, muudab mõned tihedusega seotud arvutused lihtsamaks.

Ehk on tahkete materjalide tiheduse suurim praktiline rakendamine sellesArchimedese põhimõte, mille avastas aastatuhandeid tagasi samanimeline Kreeka õpetlane. See põhimõte kinnitab, et kui tahke objekt pannakse vedelikku, allub see objekt võrgule ülespooleujuv jõudvõrdnekaalümberasustatud vedeliku.

See jõud on sama, sõltumata selle mõjust objektile, mis võib olla selle surumine pinna suunas (kui objekti tihedus on väiksem kui vedeliku tihedus), lubage sellel hõljuma ideaalselt oma kohal (kui objekti tihedus on täpselt võrdne vedeliku tihedusega) või lasta sellel vajuda (kui objekti tihedus on suurem kui vedelik).

Sümboolselt väljendub see põhimõte järgmiseltF_B = W_f,kusF​_B on ujuv jõud jaW​_f on välja tõrjutud vedeliku mass.

Tahke materjali tiheduse määramiseks kasutatavatest erinevatest meetoditesthüdrostaatiline kaalumineon eelistatud, kuna see on kõige täpsem, kui mitte kõige mugavam. Enamik huvipakkuvaid tahkeid materjale ei ole hõlpsate geomeetriliste kujundite kujul, mille maht on hõlpsasti arvutatud ja mis nõuavad mahu kaudset määramist.

See on üks paljudest eluvaldkondadest, millest Archimedese põhimõte tuleb kasuks. Katsealust kaalutakse nii õhus kui ka teadaoleva tihedusega vedelikus (vesi on ilmselt kasulik valik). Kui objekt, mille "maa" mass on 60 kg (W = 588 N), tõuseb kaalumiseks sukeldatuna välja 50 L vett, peab selle tihedus olema 60 kg / 50 L = 1,2 kg / l.

Kui sooviksite selles näites hoida seda veest tihedamat objekti riputatud kohal, rakendades lisaks ujuvale jõule ka ülespoole suunatud jõudu, siis milline oleks selle jõu suurus? Ainult arvutate väljatõrjunud vee ja objekti massi vahe: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• Selle stsenaariumi korral oleks 1/6 objekti mahust vee kohal välja paistma, sest vesi on ainult 5 / 6th nii tihe kui objekt (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Mõnikord esitatakse teile objekti, mis sisaldab mitut tüüpi materjale, kuid erinevalt inimkeha näitest sisaldab neid materjale ühtlaselt jaotatult. See tähendab, et kui võtate väikesest materjalist proovi, oleks sellel materjali A ja materjali B suhe sama, mis kogu objektil.

Üks olukord, kus see juhtub, on ehitustehnika, kus talad ja muud tugielemendid on sageli valmistatud kahte tüüpi materjalidest: maatriksist (M) ja kiust (F). Kui teil on selle kiire valim, mis koosneb nende kahe elemendi teadaolevast mahu suhtest, ja teate nende individuaalseid tihedusi, saate arvutada komposiidi tiheduse (ρ_C), kasutades järgmist võrrandit:

Kus ρ_F ja ρ_M ja V_F ja Vm on iga tüüpi materjalide tihedused ja mahuosad (s.t kiust või maatriksist koosneva kiirte protsent, teisendatud kümnendarvuks).

​Näide:1000 ml saladusobjekti proov sisaldab 70 protsenti kivimaterjali tihedusega 5 g / ml ja 30 protsenti geelitaolist materjali tihedusega 2 g / ml. Kui suur on objekti (komposiit) tihedus?