Kuinka ratkaista ominaispaino

"Ominaispaino" on sen omalta osaltaan harhaanjohtava termi. Sillä ei ole juurikaan tekemistä painovoiman kanssa, mikä on tietysti välttämätön käsite monissa fysiikan ongelmissa ja sovelluksissa. Sen sijaan se liittyy tietyn aineen aineen määrään (massaan) tietyssä tilavuudessa, vastoin ihmiskunnan tunteman ehkä kaikkein tärkeimmän ja kaikkialla esiintyvän aineen standardia - vettä.

Vaikka ominaispaino ei nimenomaisesti käytä Maan painovoiman arvoa (jota kutsutaan usein voimaksi, mutta sillä on itse asiassa yksikköjä kiihtyvyys fysiikassa - tarkalleen 9,8 metriä sekunnissa sekunnissa planeetan pinnalla), painovoima on epäsuora huomio, koska "raskaammilla" asioilla on korkeammat ominaispainoarvot kuin "kevyemmillä". Mutta mitä sanat "raskas" ja "kevyt" edes tarkoittavat muodollinen mieli? No, fysiikka on sitä varten.

Ensinnäkin ominaispaino liittyy hyvin läheisesti tiheyteen, ja termejä käytetään usein keskenään. Kuten monien käsitteiden kanssa tiedemaailmassa, tämä on yleensä hyväksyttävää, mutta kun otetaan huomioon vaikutus, jonka pienillä merkityksen ja määrän muutoksilla voi olla fyysiseen maailmaan, se ei ole vähäpätöinen ero.

Tiheys on yksinkertaisesti massa jaettuna tilavuudella, piste. Jos sinulle annetaan jonkin massan arvo ja tiedät kuinka paljon tilaa se vie, voit laskea sen tiheyden välittömästi. (Jopa täällä voi esiintyä nokkosihottavia ongelmia. Tässä laskelmassa oletetaan, että materiaalilla on yhtenäiset koostumukset koko massassaan ja tilavuudessaan ja että sen tiheys on siis tasainen. Muuten lasket vain keskimääräisen tiheyden, joka voi olla tai ei välttämättä sovi käsiteltävän ongelman vaatimuksiin.)

Tietenkin se auttaa, että sinulla on luku, jolla on järkeä, kun olet laskennassa - se on yleisesti käytetty. Joten jos sinulla on jonkin massan unssina ja tilavuus mikrolitroina, sanotaan, että massan jakaminen tilavuudella tiheyden saamiseksi jättää sinulle erittäin hankalat unssin yksiköt mikrolitraa kohti. Tavoitteena on sen sijaan jokin tavallisista yksiköistä, kuten g / ml tai grammaa millilitrassa (mikä on sama asia kuin g / cm³tai grammaa kuutiosenttimetriä kohti). Alkuperäisen määritelmän mukaan 1 ml puhdasta vettä on massa hyvin, hyvin lähellä 1 g, niin lähellä, että veden tiheys pyöristetään melkein aina "tarkalleen" 1 päivittäistarkoituksiin; tämä tekee g / ml: sta erityisen kätevän yksikön, ja se tulee pelaamaan ominaispainossa.

Aineiden tiheys on harvoin vakio. Tämä koskee erityisesti nesteitä ja kaasuja (toisin sanoen nesteitä), jotka ovat herkempiä lämpötilan muutoksille kuin kiinteät aineet. Nesteisiin ja kaasuihin voidaan myös lisätä ylimääräinen massa ilman tilavuuden muutosta tavalla, jota kiinteät aineet eivät pysty.

Esimerkiksi vesi on nestemäisessä tilassaan 0 ° C - 100 ° C välillä. Kun se lämpenee tämän alueen alapäästä ylempään, se laajenee. Toisin sanoen sama määrä massaa kuluttaa yhä enemmän tilavuutta lämpötilan noustessa. Tämän seurauksena veden lämpötila muuttuu vähemmän tiheäksi.

Toinen tapa, jolla nesteillä tapahtuu tiheyden muutoksia, on nesteeseen liukenevien hiukkasten lisääminen, joita kutsutaan liuenneiksi aineiksi. Esimerkiksi makea vesi sisältää hyvin vähän suolaa (natriumkloridia), kun taas merivesi sisältää tunnetusti paljon sitä. Kun suolaa lisätään veteen, sen massa kasvaa, kun taas sen tilavuus ei kaikissa käytännön tarkoituksissa. Tämä tarkoittaa, että merivesi on tiheämpää kuin makea vesi ja että erityisen korkea suolapitoisuus (suolapitoisuus) merivesi on tiheämpi kuin tyypillinen merivesi tai merivesi, jossa on suhteellisen vähän suolaa, kuten esimerkiksi suuren makean veden suulla joki.

Näiden erojen merkitys on, että koska vähemmän tiheät materiaalit aiheuttavat pienemmän määrän alaspäin suuntautuvaa painetta kuin tiheämmät materiaalit, vesi muodostaa usein kerroksia lämpötilan, suolapitoisuuden tai joidenkin erojen perusteella yhdistelmä. Esimerkiksi vesi, joka on jo lähellä veden pintaa, lämpenee auringosta enemmän kuin syvempi vesi, jolloin pintavesi on vähemmän tiheää ja siksi vielä todennäköisemmin pitävä vesikerrosten päällä alla.

Ominaispainoyksiköt ovat ei sama kuin tiheydellä, joka on massa tilavuusyksikköä kohti. Tämä johtuu siitä, että ominaispaino-kaava on hieman erilainen: Se on tutkittavan materiaalin tiheys jaettuna veden tiheydellä. Muodollisemmin ominaispainoyhtälö on:

(materiaalin massa ÷ materiaalin tilavuus) ÷ (veden massa ÷ veden tilavuus)

Jos samaa säiliötä käytetään sekä veden että aineen määrän mittaamiseen, niin nämä tilavuudet voidaan käsitellä samoina ja huomioida yllä olevasta yhtälöstä, jättäen kaavan ominaispainolle kuten:

(materiaalin massa ÷ veden massa)

Koska tiheys jaettuna tiheydellä ja massa jaettuna massalla ovat molemmat yksikköä, ominaispaino on myös yksikköä. Se on yksinkertaisesti numero.

Kiinteän veden säiliössä olevan veden massa muuttuu veden lämpötilan mukaan, joka on useimmissa tapauksissa lähellä huoneen lämpötilaa, jossa se on, jos se istuu jonkin aikaa. Muista, että veden tiheys laskee lämpötilan mukana veden kasvaessa. Erityisesti veden lämpötilassa 10 ° C tiheys on 0,9997 g / ml, kun taas 20 ° C: n veden tiheys on 0,9982 g / ml. 30 ° C: n veden tiheys on 0,9956 g / ml. Nämä kymmenesosan prosenttierot saattavat tuntua triviaalilta pinnalta, mutta kun haluat Määritä aineen tiheys suurella tarkkuudella, sinun on todella käytettävä tiettyjen aineiden käyttöä painovoima.

Erityinen tilavuus, merkitty v (pieni "v", eikä sitä pidä sekoittaa nopeuteen; asiayhteydestä pitäisi olla apua tässä), on termi, jota käytetään kaasuihin, ja se on kaasun tilavuus jaettuna sen massalla tai V / m. Tämä on vain kaasun tiheyden vastavuoroisuus. Yksiköt ovat yleensä m³/ kg eikä ml / g, jälkimmäinen on mitä voit odottaa, kun otetaan huomioon yleisin tiheysyksikkö. Miksi tämä voi olla? Harkitse kaasujen luonnetta: Ne ovat hyvin hajakuormitettuja, ja merkittävän massan kerääminen siitä ei ole helppoa, ellet pysty käsittelemään suurempia määriä.

Lisäksi kelluvuuden käsite liittyy tiheyteen. Edellisessä osassa todettiin, että tiheämmät esineet aiheuttavat enemmän painetta alaspäin kuin vähemmän tiheät esineet. Yleisemmin tämä tarkoittaa, että veteen asetettu esine uppoaa, jos sen tiheys on suurempi kuin veden, mutta kelluu, jos sen tiheys on pienempi kuin veden. Kuinka selität jääkuutioiden käyttäytymisen vain sen perusteella, mitä olet lukenut täältä?

Joka tapauksessa kelluva voima on nesteeseen upotettuun esineeseen kohdistuva nesteen voima, joka torjuu painovoiman, joka pakottaa kohteen uppoamaan. Mitä tiheämpi neste on, sitä suurempaa kelluvaa voimaa se kohdistaa tiettyyn esineeseen, mikä näkyy kyseisen kohteen pienemmässä todennäköisyydessä uppoamaan.