Amikor meglátja vagy hallja a szótsűrűség,ha egyáltalán ismeri ezt a kifejezést, akkor nagy valószínűséggel idézi az elméjében a "zsúfoltság" képeit: mondjuk elakadt városi utcák, vagy a fák szokatlan vastagsága a park egyik részében szomszédság.
És lényegében erre utal a sűrűség: valaminek a koncentrációja, amelynek során nem a jelenet bárminek a teljes mennyiségére kell összpontosítani, hanem arra, hogy mennyit osztottak el a rendelkezésre álló térben.
A sűrűség kritikus fogalom a fizikai tudományok világában. Ez lehetőséget kínál az alapszintűek kapcsolatáraügy -a mindennapi élet cuccai, amelyek általában (de nem mindig) láthatók és érezhetők, vagy legalábbis valahogy megragadhatók laboratóriumi körülmények között végzett méréseknél - az alaptérig, éppen ahhoz a kerethez, amelyet a világ. A Föld különböző anyagainak nagyon különböző sűrűsége lehet, még a szilárd anyag területén belül is.
A szilárd anyagok sűrűségének mérését a folyadékok és gázok sűrűségének meghatározásánál eltérő módszerekkel végezzük. A sűrűség mérésének legpontosabb módja gyakran a kísérleti helyzettől és attól függ, hogy a a minta csak egyfajta anyagot (anyagot) tartalmaz, ismert fizikai vagy kémiai tulajdonságokkal, vagy többféle típusok.
Mi a sűrűség?
A fizikábanaz anyagminta sűrűsége csak a minta teljes tömege elosztva annak térfogatával, függetlenül attól, hogy a mintában lévő anyag hogyan oszlik el (ez olyan aggály, amely befolyásolja a szóban forgó szilárd anyag mechanikai tulajdonságait).
Példa valamire, amelynek kiszámítható sűrűsége van egy adott tartományon belül, de emellett nagymértékben változó az emberi test, amely többé-kevésbé rögzített arányú vízből, csontból és más típusú szövet. A sűrűséget a görög rho betűvel fejezzük ki:
\ rho = \ frac {m} {V}
A sűrűséget és a tömeget gyakran összekeveriksúly, bár talán különböző okokból. A súly egyszerűen az anyagra vagy tömegre ható gravitációs gyorsulás következtében fellépő erő:
F = mg
A Földön a gravitáció miatti gyorsulás értéke 9,8 m / s2. Atömeg10 kg-os asúly10 kg (9,8 m / s)2= 98 Newton (N).
Maga a súly is összetéveszthető a sűrűséggel, abból az egyszerű okból, hogy ha két azonos méretű tárgyat kapunk, akkor a nagyobb sűrűségűek súlya nagyobb lesz. Ez az alapja a régi trükk kérdésnek: "Melyik súlya több, egy font toll vagy egy font ólom?" Egy font egy font, nem számít mi van, de a legfontosabb itt az, hogy a font font sokkal több helyet foglal el, mint egy font ólom, mert az ólom sokkal nagyobb sűrűség.
Sűrűség vs. Fajsúly
A sűrűséggel szorosan összefüggő fizikai kifejezés azfajsúly(SG). Ez csak egy adott anyag sűrűsége osztva a víz sűrűségével. A víz sűrűségét normál szobahőmérsékleten, 25 ° C-on pontosan 1 g / ml (vagy ekvivalensen 1 kg / l) határozza meg. Ennek oka, hogy a liter meghatározása SI (nemzetközi rendszer, vagy "metrikus") egységekben az a vízmennyiség, amelynek tömege 1 kg.
A felszínen tehát ez úgy tűnik, hogy az SG meglehetősen triviális információvá válik: Miért kell osztani 1-gyel? Valójában két oka van. Az egyik az, hogy a víz és más anyagok sűrűsége kissé változik a hőmérséklet függvényében, még a szobahőmérséklet tartományában is, így amikor pontos mérésekre van szükség, akkor ezt a változást figyelembe kell venni, mivel a ρ értéke hőmérséklet függő.
Továbbá, bár a sűrűség egysége g / ml vagy hasonló, az SG egység nélküli, mert csak egy sűrűség osztva egy sűrűséggel. Az a tény, hogy ez a mennyiség csupán állandó, megkönnyíti a sűrűséggel járó számításokat.
Archimédész elve
A szilárd anyagok sűrűségének talán legnagyobb gyakorlati alkalmazása abban rejlikArchimédész elve, évezredekkel ezelőtt fedezte fel egy azonos nevű görög tudós. Ez az elv azt állítja, hogy amikor egy szilárd tárgyat egy folyadékba helyeznek, az objektumot egy háló felfelé helyezilendületes erőegyenlő asúlya kiszorított folyadék.
Ez az erő ugyanaz, függetlenül az objektumra gyakorolt hatásától, ami azt jelentheti, hogy a felület felé nyomja (ha az objektum sűrűsége kisebb, mint a folyadéké), engedje meg tökéletesen a helyén lebegni (ha az objektum sűrűsége pontosan megegyezik a folyadék sűrűségével), vagy hagyja süllyedni (ha az objektum sűrűsége nagyobb, mint a folyadék).
Jelképesen ez az elv a következőképpen fejeződik ki:FB = Wf,holFB a felhajtó erő ésWf a kiszorított folyadék súlya.
Szilárd anyagok sűrűségének mérése
A szilárd anyag sűrűségének meghatározására használt különféle módszerek közülhidrosztatikus mérésaz előnyben részesített, mert a legpontosabb, ha nem a legkényelmesebb. A legtöbb érdeklődésre számot tartó szilárd anyag nem formázott, könnyen kiszámítható térfogatú geometriai alakzat, amely közvetett térfogat-meghatározást igényel.
Ez egyike azon sok életágazatnak, amely Archimedes elve jól jön. Az alanyokat levegőben és ismert sűrűségű folyadékban mérik (a víz nyilvánvalóan hasznos választás). Ha egy 60 kg "szárazföldi" tömegű tárgy (W = 588 N) 50 L vizet kiszorít, amikor mérlegelésre merül, annak sűrűségének 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L-nek kell lennie.
Ha ebben a példában ezt a víznél sűrűbb tárgyat akarta felfüggeszteni, ha a felhajtó erő mellett felfelé irányuló erőt is kifejtett, akkor mekkora lenne ez az erő? Csak kiszámítja a kiszorított víz és a tárgy súlya közötti különbséget: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s2= 98 N.
- Ebben a forgatókönyvben az objektum térfogatának 1/6 része kilógna a víz fölött, mert a víz csak 5/6-os része olyan sűrű, mint az objektum (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).
A szilárd anyagok összetett sűrűsége
Néha olyan tárgyat mutatnak be Önnek, amely többféle anyagot tartalmaz, de az emberi test példájától eltérően ezeket az anyagokat egységesen elosztva tartalmazza. Vagyis, ha egy apró mintát vesz az anyagból, akkor az A anyag és a B anyag aránya megegyezik az egész tárgyéval.
Az egyik helyzet, amikor ez bekövetkezik, a szerkezeti tervezés, ahol a gerendák és más tartóelemek gyakran kétféle anyagból készülnek: mátrixból (M) és szálból (F). Ha van egy mintája ennek a nyalábnak a két elem ismert térfogatarányából, és ismeri az egyes sűrűségeiket, kiszámíthatja az összetett sűrűségét (ρC) a következő egyenletet használva:
\ rho_C = \ rho_FV_F + \ rho_MV_M
Ahol ρF és ρM és VF és Vm az egyes anyagtípusok sűrűsége és térfogatfrakciói (vagyis a szálból vagy mátrixból álló nyaláb tizedes számra átszámítva).
Példa:Egy rejtélyes tárgy 1000 ml-es mintája 70% sziklás anyagot tartalmaz 5 g / ml sűrűséggel és 30% gélszerű anyagot 2 g / ml sűrűséggel. Mekkora az objektum (összetett) sűrűsége?
\ rho_C = \ rho_RV_R + \ rho_GV_G = (5) (0,70) + (2) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 \ szöveg {g / ml}