Kiinteiden materiaalien tiheyden määrittäminen

Kun näet tai kuulet sanantiheys,jos tunnet termin lainkaan, se todennäköisesti kutsuu mieleesi kuvia "tungosta": esimerkiksi tukkeutuneita kaupunkikatuja tai puun epätavallinen paksuus puiston osassa naapurustossa.

Ja pohjimmiltaan tiheys viittaa siihen: jonkin keskittyminen, jossa ei painoteta mitään kohtauksen kokonaismäärää, mutta kuinka paljon on jaettu käytettävissä olevaan tilaan.

Tiheys on kriittinen käsite fysiikan maailmassa. Se tarjoaa tavan yhdistää perustiedotasia -arjen asiat, jotka yleensä (mutta eivät aina) voidaan nähdä ja tuntea tai ainakin jotenkin kaapata mittauksissa laboratorioympäristössä - perustilaan, juuri siihen kehykseen, jota käytämme maailman. Erilaisilla aineilla maapallolla voi olla hyvin erilaiset tiheydet, jopa pelkästään kiinteän aineen valtakunnassa.

Kiintoaineen tiheyden mittaus suoritetaan käyttämällä erilaisia ​​menetelmiä kuin nesteiden ja kaasujen tiheyksien määrityksessä. Tarkin tapa mitata tiheys riippuu usein kokeellisesta tilanteesta ja siitä, onko näyte sisältää vain yhden tyyppisen aineen (materiaalin), jolla on tunnetut fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet tai useita tyypit.

Fysiikassamateriaalinäytteen tiheys on vain näytteen kokonaismassa jaettuna sen tilavuudellariippumatta siitä, miten näytteessä oleva aine jakautuu (huolenaihe, joka vaikuttaa kyseisen kiinteän aineen mekaanisiin ominaisuuksiin).

Esimerkki jostakin, jonka tiheys on ennustettavissa tietyllä alueella, mutta jolla on myös suuresti vaihteleva taso tiheys kaikkialla, on ihmiskeho, joka koostuu enemmän tai vähemmän kiinteästä suhteesta vedestä, luusta ja muusta kudos. Tiheys ilmaistaan ​​kreikkalaisella rho-kirjaimella:

Sekä tiheys että massa sekoitetaan useinpaino, vaikkakin ehkä eri syistä. Paino on yksinkertaisesti voimaa, joka syntyy aineeseen tai massaan vaikuttavan painovoiman kiihtyvyydestä:

Maapallolla painovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden arvo on 9,8 m / s². Amassa-10 kg: n paino on sitenpaino(10 kg) (9,8 m / s²) = 98 newtonia (N).

Paino itsessään sekoitetaan myös tiheyteen, siitä yksinkertaisesta syystä, että kun annetaan kaksi samankokoista esinettä, suurempi tiheys painaa itse asiassa enemmän. Tämä on perusta vanhalle temppukysymykselle "Kumpi painaa enemmän, kilo höyheniä tai punta lyijyä?" Punta on punta riippumatta mitä, mutta avain tässä on, että höyhenpunta vie paljon enemmän tilaa kuin lyijypaino lyijyn huomattavasti suuremman takia tiheys.

Fysiikan termi, joka liittyy läheisesti tiheyteen, ontietty painovoima(SG). Tämä on vain tietyn materiaalin tiheys jaettuna veden tiheydellä. Veden tiheydeksi määritetään tarkalleen 1 g / ml (tai vastaavasti 1 kg / l) normaalissa huoneenlämmössä, 25 ° C. Tämä johtuu siitä, että litran määritelmä SI (kansainvälinen järjestelmä tai "metrinen") -yksiköissä on vesimäärä, jonka massa on 1 kg.

Pinnalta näyttää siltä, ​​että tämä tekisi SG: stä melko triviaalin tiedon: Miksi jakaa yhdellä? Itse asiassa on kaksi syytä. Yksi on se, että veden ja muiden materiaalien tiheys vaihtelee hieman lämpötilan mukaan jopa huoneen lämpötilan sisällä, joten kun tarvitaan tarkkoja mittauksia, tämä vaihtelu on otettava huomioon, koska ρ: n arvo on lämpötila riippuvainen.

Vaikka tiheydellä on yksiköitä g / ml tai vastaavia, SG on yksikköön, koska se on vain tiheys jaettuna tiheydellä. Se, että tämä määrä on vain vakio, tekee joistakin tiheyttä koskevista laskelmista helpompia.

Ehkä suurin kiinteiden materiaalien tiheyden käytännön käytäntö onArchimedeksen periaate, löysi tuhansia vuosia sitten saman nimisen kreikkalaisen tutkijan. Tämä periaate väittää, että kun kiinteä esine asetetaan nesteeseen, esineeseen kohdistuu verkko ylöspäinkelluva voimayhtä suuri kuinpainosiirtyneen nesteen.

Tämä voima on sama riippumatta sen vaikutuksesta esineeseen, joka saattaa olla työnnä sitä kohti pintaa (jos kohteen tiheys on pienempi kuin nesteen tiheys), anna sen kellua täydellisesti paikoillaan (jos kohteen tiheys on täsmälleen sama kuin nesteen tiheys) tai antaa sen upota (jos kohteen tiheys on suurempi kuin neste).

Symbolisesti tämä periaate ilmaistaanF_B = W_f,missäF​_B on kelluva voima jaW​_f on syrjäytetyn nesteen paino.

Kiinteän materiaalin tiheyden määrittämiseksi käytetyistä eri menetelmistähydrostaattinen punnituson suositeltava, koska se on tarkin, ellei mukavin. Suurin osa kiinnostavista kiinteistä materiaaleista ei ole siistien geometristen muotojen muodossa, joilla on helposti laskettavat tilavuudet, mikä edellyttää tilavuuden epäsuoraa määrittämistä.

Tämä on yksi monista elämänaloista, josta Archimedeksen periaate on kätevä. Kohde punnitaan sekä ilmassa että tunnetun tiheyden nesteessä (vesi on ilmeisesti hyödyllinen valinta). Jos esine, jonka "maa" -massa on 60 kg (W = 588 N), syrjäyttää 50 litraa vettä punnitessaan, sen tiheyden on oltava 60 kg / 50 l = 1,2 kg / l.

Jos halusit tässä esimerkissä pitää tämän tiheämmän kuin vesi ripustettuna paikoilleen soveltamalla ylöspäin suuntautuvaa voimaa kelluvan voiman lisäksi, mikä tämän voiman suuruus olisi? Lasket vain erotetun veden ja kohteen painon välisen eron: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• Tässä skenaariossa 1/6 kohteen tilavuudesta olisi kiinni veden yläpuolella, koska vesi on vain 5 / 6th yhtä tiheä kuin esine (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Joskus sinulle esitetään esine, joka sisältää useampaa kuin yhtä tyyppistä materiaalia, mutta toisin kuin ihmiskehon esimerkki, sisältää nämä materiaalit tasaisesti. Toisin sanoen, jos otat pienen näytteen materiaalista, sillä on sama aineen A suhde materiaaliin B kuin koko esine.

Yksi tilanne, jossa tämä tapahtuu, on rakennesuunnittelu, jossa palkit ja muut tukielementit valmistetaan usein kahdentyyppisestä materiaalista: matriisista (M) ja kuidusta (F). Jos sinulla on näyte tästä säteestä, joka koostuu näiden kahden elementin tunnetusta tilavuussuhteesta, ja tiedät niiden yksittäiset tiheydet, voit laskea komposiitin tiheyden (ρ_C) käyttämällä seuraavaa yhtälöä:

Missä ρ_F ja ρ_M ja V_F ja Vm ovat kunkin materiaalityypin tiheydet ja tilavuusosuudet (ts. kuitusta tai matriisista koostuvan säteen prosenttiosuus muunnettuna desimaaliluvuksi).

​Esimerkki:1000 ml: n mysteerikohde sisältää 70 prosenttia kivimateriaalia, jonka tiheys on 5 g / ml, ja 30 prosenttia geelimäistä ainetta, jonka tiheys on 2 g / ml. Mikä on kohteen (komposiitti) tiheys?