Quand tu vois ou entends le motdensité,si vous êtes familier avec le terme, il évoque très probablement dans votre esprit des images de « surpeuplement »: rues bondées de la ville, disons, ou l'épaisseur inhabituelle des arbres dans une partie d'un parc de votre quartier.
Et en substance, c'est à cela que se réfère la densité: une concentration de quelque chose, en mettant l'accent non pas sur la quantité totale de quoi que ce soit dans la scène, mais sur la quantité qui a été distribuée dans l'espace disponible.
La densité est un concept critique dans le monde des sciences physiques. Il offre un moyen de relier les basesmatière -les choses de la vie quotidienne qui peuvent généralement (mais pas toujours) être vues et ressenties ou du moins capturées d'une manière ou d'une autre dans les mesures en laboratoire - à l'espace de base, le cadre même que nous utilisons pour naviguer dans le monde. Différents types de matière sur Terre peuvent avoir des densités très différentes, même dans le seul domaine de la matière solide.
La mesure de la densité des solides est effectuée en utilisant des méthodes différentes de celles employées pour doser les densités des liquides et des gaz. La façon la plus précise de mesurer la densité dépend souvent de la situation expérimentale et du fait que votre l'échantillon comprend un seul type de matière (matériau) avec des propriétés physiques et chimiques connues ou plusieurs les types.
Qu'est-ce que la densité ?
En physique,la densité d'un échantillon de matériau est juste la masse totale de l'échantillon divisée par son volume, quelle que soit la répartition de la matière dans l'échantillon (une préoccupation qui affecte les propriétés mécaniques du solide en question).
Un exemple de quelque chose qui a une densité prévisible dans une plage donnée, mais qui a également des niveaux très variables de densité partout, est le corps humain, qui est composé d'un rapport plus ou moins fixe d'eau, d'os et d'autres types de tissu. La densité s'exprime à l'aide de la lettre grecque rho :
\rho=\frac{m}{V}
La densité et la masse sont souvent confondues avecpoids, bien que pour des raisons peut-être différentes. Le poids est simplement la force résultant de l'accélération de la pesanteur agissant sur la matière, ou masse :
F=mg
Sur Terre, l'accélération due à la pesanteur vaut 9,8 m/s2. UNEMassede 10 kg a donc unpoidsde (10 kg) (9,8 m/s2) = 98 Newtons (N).
Le poids lui-même est également confondu avec la densité, pour la simple raison qu'étant donné deux objets de même taille, celui ayant une densité plus élevée pèsera en fait plus. C'est la base de la vieille question piège: « Qu'est-ce qui pèse le plus, une livre de plumes ou une livre de plomb? Une livre est une livre peu importe quoi, mais la clé ici est que la livre de plumes prendra beaucoup plus de place qu'une livre de plomb à cause du plomb beaucoup plus densité.
Densité vs. Gravité spécifique
Un terme de physique étroitement lié à la densité estgravité spécifique(SG). C'est juste la densité d'un matériau donné divisée par la densité de l'eau. La densité de l'eau est définie comme étant exactement de 1 g/mL (ou de manière équivalente, 1 kg/L) à température ambiante normale, 25 °C. En effet, la définition même d'un litre en unités SI (système international, ou "métrique") est la quantité d'eau qui a une masse de 1 kg.
À première vue, cela semblerait donc faire de SG une information plutôt triviale: pourquoi diviser par 1? En fait, il y a deux raisons. L'une est que la densité de l'eau et d'autres matériaux varie légèrement avec la température, même dans les plages de température ambiante, ainsi, lorsque des mesures précises sont nécessaires, cette variation doit être prise en compte car la valeur de est la température dépendant.
De plus, alors que la densité a des unités de g/mL ou similaires, SG est sans unité, car il s'agit simplement d'une densité divisée par une densité. Le fait que cette quantité soit simplement une constante facilite certains calculs impliquant la densité.
Le principe d'Archimede
La plus grande application pratique de la densité des matériaux solides réside peut-être dansLe principe d'Archimede, découvert il y a des millénaires par un savant grec du même nom. Ce principe affirme que, lorsqu'un objet solide est placé dans un fluide, l'objet est soumis à un filet vers le hautforce de flottabilitéégal à lapoidsdu fluide déplacé.
Cette force est la même quel que soit son effet sur l'objet, qui peut être de le pousser vers la surface (si la densité de l'objet est inférieure à celle du fluide), lui permettre flotter parfaitement en place (si la densité de l'objet est exactement égale à celle du fluide) ou le laisser couler (si la densité de l'objet est supérieure à celle du fluide).
Symboliquement, ce principe est exprimé commeFB = WF,oùFB est la force de flottabilité etWF est le poids du fluide déplacé.
Mesure de la densité des solides
Parmi les différentes méthodes utilisées pour déterminer la densité d'un matériau solide,pesage hydrostatiqueest le préféré car il est le plus précis, sinon le plus pratique. La plupart des matériaux solides d'intérêt ne se présentent pas sous la forme de formes géométriques nettes avec des volumes facilement calculés, nécessitant une détermination indirecte du volume.
C'est l'un des nombreux domaines de la vie pour lesquels le principe d'Archimède est utile. Un sujet est pesé à la fois dans l'air et dans un fluide de densité connue (l'eau étant évidemment un choix utile). Si un objet d'une masse « terrestre » de 60 kg (W = 588 N) déplace 50 L d'eau lorsqu'il est immergé pour la pesée, sa densité doit être de 60 kg/50 L = 1,2 kg/L.
Si, dans cet exemple, vous vouliez maintenir cet objet plus dense que l'eau en suspension en appliquant une force ascendante en plus de la force de flottabilité, quelle serait l'amplitude de cette force? Vous calculez simplement la différence entre le poids de l'eau déplacée et le poids de l'objet: 588 N – (50 kg) (9,8 m/s2) = 98N.
- Dans ce scénario, 1/6 du volume de l'objet dépasserait de l'eau, car l'eau n'est que 5/6 de la densité de l'objet (1 g/mL vs. 1,2 g/ml).
Densité composite des solides
Parfois, on vous présente un objet qui contient plus d'un type de matériau, mais contrairement à l'exemple du corps humain, il contient ces matériaux de manière uniformément répartie. C'est-à-dire que si vous préleviez un petit échantillon du matériau, il aurait le même rapport entre le matériau A et le matériau B que l'objet entier.
Une situation dans laquelle cela se produit est dans l'ingénierie structurelle, où les poutres et autres éléments de support sont souvent constitués de deux types de matériaux: la matrice (M) et la fibre (F). Si vous avez un échantillon de cette poutre constitué d'un rapport volumique connu de ces deux éléments, et connaissez leurs densités individuelles, vous pouvez calculer la densité du composite (ρC) en utilisant l'équation suivante :
\rho_C=\rho_FV_F+\rho_MV_M
OùF etM et VF et Vm sont les densités et les fractions volumiques (c'est-à-dire le pourcentage du faisceau constitué de fibres ou de matrice, converti en un nombre décimal) de chaque type de matériau.
Exemple:Un échantillon de 1 000 ml d'un objet mystérieux contient 70 pour cent de matière rocheuse avec une densité de 5 g/ml et 30 pour cent de matière semblable à un gel avec une densité de 2 g/ml. Quelle est la densité de l'objet (composite) ?
\rho_C=\rho_RV_R+\rho_GV_G=(5)(0,70)+(2)(0,30)=3,5+0,6=4,1\text{ g/mL}