Kako odrediti gustoću čvrstih materijala

Kad vidite ili čujete riječgustoća,ako vam je termin uopće poznat, on vam najvjerojatnije priziva slike "gužve": zakrčene gradske ulice, recimo, ili neobična debljina stabala u dijelu parka u vašem susjedstvo.

I u osnovi, na to se odnosi gustoća: koncentracija nečega, s naglaskom ne na ukupnu količinu bilo čega na sceni, već na količinu raspoređenog na raspoloživi prostor.

Gustoća je kritičan pojam u svijetu fizičkih znanosti. Nudi način povezivanja osnovnogmaterija -stvari iz svakodnevnog života koje se obično (ali ne uvijek) mogu vidjeti i osjetiti ili barem nekako uhvatiti u mjerenjima u laboratorijskim uvjetima - do osnovnog prostora, samog okvira koji koristimo za navigaciju svijet. Različite vrste materije na Zemlji mogu imati vrlo različitu gustoću, čak i unutar samog područja čvrste materije.

Mjerenje gustoće krutina provodi se metodama koje se razlikuju od onih koje se koriste za određivanje gustoće tekućina i plinova. Najtočniji način mjerenja gustoće često ovisi o eksperimentalnoj situaciji i o tome jeste li uzorak uključuje samo jednu vrstu materije (materijala) s poznatim fizičkim i kemijskim svojstvima ili višestruku vrste.

U fizici,gustoća uzorka materijala samo je ukupna masa uzorka podijeljena s njegovim volumenom, bez obzira na to kako se tvar u uzorku raspoređuje (problem koji utječe na mehanička svojstva dotične krutine).

Primjer nečega što ima predvidljivu gustoću unutar određenog raspona, ali također ima jako različite razine gustoća u čitavom ljudskom tijelu, koje se sastoji od manje ili više utvrđenog omjera vode, kostiju i drugih vrsta tkivo. Gustoća se izražava grčkim slovom rho:

Često se brkaju s gustoćom i masomtežina, iako iz možda različitih razloga. Težina je jednostavno sila koja proizlazi iz ubrzanja gravitacije koja djeluje na materiju ili masu:

Na Zemlji ubrzanje uslijed gravitacije ima vrijednost 9,8 m / s². Amasaod 10 kg tako ima atežinaod (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Njutna (N).

Sama se težina također miješa s gustoćom, iz jednostavnog razloga što će s obzirom na dva predmeta iste veličine, onaj veće gustoće zapravo težiti više. To je osnova za staro trik pitanje: "Što je teže, kilo perja ili kilogram olova?" Kilogram je kilogram bez obzira što, ali ovdje je ključno da će kilogram perja zauzeti puno više prostora nego kilogram olova zbog daleko većeg olova gustoća.

Pojam iz fizike usko povezan s gustoćom jespecifična gravitacija(SG). Ovo je samo gustoća datog materijala podijeljena s gustoćom vode. Gustoća vode definirana je točno 1 g / ml (ili ekvivalentno 1 kg / L) pri normalnoj sobnoj temperaturi, 25 ° C. To je zato što je sama definicija litre u SI (međunarodni sustav ili "metrička") jedinica količina vode koja ima masu od 1 kg.

Izgleda da bi to na površini činilo SG prilično trivijalnim podatkom: Zašto dijeliti s 1? Zapravo su dva razloga. Jedno je da gustoća vode i ostalih materijala malo varira s temperaturom, čak i unutar raspona sobne temperature, pa kada su potrebna precizna mjerenja, tu varijaciju treba uzeti u obzir jer je vrijednost ρ temperatura ovisna.

Također, dok gustoća ima jedinice g / ml ili slično, SG je bez jedinice, jer je to samo gustoća podijeljena s gustoćom. Činjenica da je ta veličina samo konstanta olakšava neke izračune koji uključuju gustoću.

Možda je najveća praktična primjena gustoće čvrstih materijalaArhimedov princip, koji je prije tisućljećima otkrio istoimeni grčki učenjak. Ovaj princip tvrdi da, kada se čvrsti objekt stavi u tekućinu, objekt je podložan mreži prema goreuzletna silajednaktežinaistisnute tekućine.

Ta je sila jednaka bez obzira na njezin učinak na objekt, koji bi mogao biti potiskivanje prema površini (ako je gustoća predmeta manja od gustoće fluida), omogućiti mu savršeno plutati na mjestu (ako je gustoća predmeta točno jednaka gustoći tekućine) ili dopustiti da potone (ako je gustoća predmeta veća od gustoće predmeta) tekućina).

Simbolično se ovo načelo izražava kaoF_B = W_f,gdjeF​_B je poletna sila iW​_f je težina istisnute tekućine.

Od različitih metoda koje se koriste za određivanje gustoće čvrstog materijala,hidrostatsko vaganjeje poželjniji jer je najtočniji, ako ne i najprikladniji. Većina čvrstih materijala od interesa nisu u obliku urednih geometrijskih oblika s lako izračunavim volumenima, što zahtijeva neizravno određivanje volumena.

Ovo je jedno od mnogih područja života koje Arhimedov princip dobro dođe. Ispitanik se vaga i u zraku i u tekućini poznate gustoće (voda je očito koristan izbor). Ako objekt s kopnom mase od 60 kg (W = 588 N) istisne 50 L vode kad je uronjen za vaganje, njegova gustoća mora biti 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Ako ste, u ovom primjeru, željeli zadržati ovaj objekt gušći od vode na mjestu primjenjujući uzlaznu silu uz uzlaznu silu, kolika bi bila veličina ove sile? Vi samo izračunavate razliku između težine istisnute vode i težine predmeta: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• U ovom scenariju, 1/6 zapremine predmeta virilo bi iznad vode, jer je voda samo 5 / 6th guste poput predmeta (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Ponekad vam se predoči predmet koji sadrži više vrsta materijala, ali za razliku od primjera ljudskog tijela, sadrži te materijale na ravnomjerno raspoređen način. Odnosno, ako biste uzeli mali uzorak materijala, on bi imao jednak omjer materijala A i materijala B kao i cijeli objekt.

Jedna situacija u kojoj se to događa je u građevinskom inženjerstvu, gdje su grede i drugi potporni elementi često izrađeni od dvije vrste materijala: matrice (M) i vlakna (F). Ako imate uzorak ove zrake koji se sastoji od poznatog omjera volumena ova dva elementa i znate njihove pojedinačne gustoće, možete izračunati gustoću kompozita (ρ_C) koristeći sljedeću jednadžbu:

Gdje je ρ_F i ρ_M i V_F i Vm su gustoće i volumni udjeli (tj. postotak zrake koja se sastoji od vlakana ili matrice, pretvorene u decimalni broj) svake vrste materijala.

​Primjer:Uzorak misterioznog predmeta od 1000 ml sadrži 70 posto stjenovitog materijala gustoće 5 g / ml i 30 posto gelastog materijala gustoće 2 g / ml. Kolika je gustoća predmeta (kompozita)?