Cara Menghitung Kepadatan Komposit

Massa dan kerapatan – bersama dengan volume, konsep yang menghubungkan dua besaran ini, secara fisik dan matematis – adalah dua konsep paling mendasar dalam ilmu fisika. Meskipun demikian, dan meskipun massa, kepadatan, volume, dan berat masing-masing terlibat dalam jutaan perhitungan yang tak terhitung jumlahnya di seluruh dunia setiap hari, banyak orang dengan mudah bingung dengan jumlah ini.

​Massa jenis,yang dalam istilah fisik dan sehari-hari hanya mengacu pada konsentrasi sesuatu dalam ruang tertentu yang ditentukan, biasanya berarti "kepadatan massa", dan dengan demikian mengacu padajumlah materi per satuan volume. Banyak kesalahpahaman tentang hubungan antara kepadatan dan berat. Ini dapat dimengerti dan mudah dibersihkan untuk sebagian besar dengan ulasan seperti ini.

Selain itu, konsepkepadatan kompositpenting. Banyak bahan secara alami terdiri dari, atau dibuat dari, campuran atau elemen atau molekul struktural, masing-masing dengan kepadatannya sendiri. Jika Anda mengetahui rasio bahan individu satu sama lain dalam item yang menarik, dan dapat mencari atau jika tidak, tentukan kerapatan masing-masing, maka Anda dapat menentukan kerapatan komposit material sebagai semua.

Kepadatan diberi huruf Yunani rho (ρ) dan hanyalah massa sesuatu dibagi dengan volume totalnya:

Satuan SI (standar internasional) adalah kg/m³, karena kilogram dan meter masing-masing adalah satuan dasar SI untuk massa dan perpindahan ("jarak"). Namun, dalam banyak situasi kehidupan nyata, gram per mililiter, atau g/mL, adalah satuan yang lebih sesuai. Satu mL = 1 sentimeter kubik (cc).

Bentuk suatu benda dengan volume dan massa tertentu tidak mempengaruhi kerapatannya, meskipun hal ini dapat mempengaruhi sifat mekanik benda tersebut. Demikian pula, dua benda dengan bentuk dan massa yang sama (dan karenanya volume) selalu memiliki kerapatan yang sama terlepas dari bagaimana massa itu didistribusikan.

Sebuah bola padat massasayadan radiusRdengan massanya tersebar merata di seluruh bola dan bola massa padatsayadan radiusRdengan massanya terkonsentrasi hampir seluruhnya dalam "kulit" luar yang tipis memiliki kerapatan yang sama.

Massa jenis air (H₂O) pada suhu kamar dan tekanan atmosfer didefinisikan sebagai tepat 1 g/mL (atau setara, 1 kg/L).

Pada zaman Yunani kuno, Archimedes dengan agak cerdik membuktikan bahwa ketika suatu benda terendam air (atau fluida), gaya yang dialaminya sama dengan massa air yang dipindahkan dikali gravitasi (yaitu, berat air). Ini mengarah ke ekspresi matematika

Dengan kata lain, ini berarti bahwa perbedaan antara massa terukur suatu benda dan massa semunya ketika terendam, dibagi dengan densitas fluida, memberikan volume benda yang terendam. Volume ini mudah dilihat jika objeknya adalah objek yang berbentuk teratur seperti bola, tetapi persamaan ini berguna untuk menghitung volume objek yang berbentuk aneh.

AL adalah 1000 cc = 1.000 mL. Percepatan gravitasi di dekat permukaan bumi adalahg= 9,80 m/s².

Karena 1 L = 1.000 cc = (10 cm × 10 cm × 10 cm) = (0,1 m × 0,1 m × 0,1 m)= 10^-3 saya³, ada 1.000 liter dalam satu meter kubik. Ini berarti bahwa sebuah wadah berbentuk kubus tak bermassa 1 m di setiap sisinya dapat menampung 1.000 kg = 2.204 pon air, lebih dari satu ton. Ingat, satu meter hanya sekitar tiga seperempat kaki; air mungkin "lebih tebal" dari yang Anda kira!

Sebagian besar objek di dunia alami memiliki massa yang tersebar tidak merata di seluruh ruang yang mereka tempati. Tubuh Anda sendiri adalah contohnya; Anda dapat menentukan massa Anda dengan relatif mudah menggunakan skala sehari-hari, dan jika Anda memiliki peralatan yang tepat, Anda dapat menentukan volume tubuh Anda dengan merendam diri dalam bak air dan menggunakan Archimedes ' prinsip.

Tetapi Anda tahu bahwa beberapa bagian jauh lebih padat daripada yang lain (tulang vs. gemuk, misalnya), jadi adavariasi lokaldalam kepadatan.

Beberapa objek mungkin memiliki komposisi yang seragam, dan karenanyakepadatan seragam, meskipun terbuat dari dua atau lebih unsur atau senyawa. Hal ini dapat terjadi secara alami dalam bentuk polimer tertentu, tetapi kemungkinan besar merupakan konsekuensi dari proses manufaktur yang strategis, misalnya rangka sepeda serat karbon.

Ini berarti, tidak seperti kasus tubuh manusia, Anda akan mendapatkan sampel bahan dengan kerapatan yang sama di mana pun di objek yang Anda ekstrak atau seberapa kecilnya. Dalam istilah resep, itu "benar-benar dicampur."

Kerapatan massa sederhana daribahan komposit, atau bahan yang dibuat dari dua atau lebih bahan yang berbeda dengan kepadatan individu yang diketahui, dapat dikerjakan dengan menggunakan proses sederhana.

1. Temukan kerapatan semua senyawa (atau unsur) dalam campuran. Ini dapat ditemukan di banyak tabel online; lihat Sumberdaya untuk contoh.
2. Ubah kontribusi persentil setiap elemen atau senyawa ke dalam campuran menjadi angka desimal (angka antara 0 dan 1) dengan membaginya dengan 100.
3. Kalikan setiap desimal dengan kerapatan senyawa atau elemen yang sesuai.
4. Tambahkan bersama produk dari langkah 3. Ini akan menjadi kepadatan campuran dalam unit yang sama yang dipilih pada awal atau masalah.

Misalnya, Anda diberi 100 mL cairan yang terdiri dari 40 persen air, 30 persen merkuri, dan 30 persen bensin. Berapa massa jenis campuran?

Anda tahu bahwa untuk air, = 1,0 g/mL. Dengan melihat tabel, Anda menemukan bahwa = 13,5 g/mL untuk merkuri dan = 0,66 g/mL untuk bensin. (Ini akan membuat ramuan yang sangat beracun, sebagai catatan.) Mengikuti prosedur di atas:

Kepadatan tinggi dari kontribusi merkuri meningkatkan kepadatan keseluruhan campuran jauh di atas air atau bensin.

Dalam beberapa kasus, berbeda dengan situasi sebelumnya di mana hanya kepadatan sejati yang dicari, aturan campuran untuk komposit partikel memiliki arti yang berbeda. Ini adalah masalah teknik yang menghubungkan resistensi keseluruhan terhadap tegangan struktur linier seperti balok dengan resistensi individunyaseratdanmatrikskonstituen, karena objek tersebut sering direkayasa secara strategis agar sesuai dengan persyaratan bantalan beban tertentu.

Hal ini sering dinyatakan dalam parameter yang dikenal sebagaimodulus elastisitasE​(disebut jugamodulus young, ataumodulus elastisitas). Perhitungan modulus elastisitas bahan komposit cukup sederhana dari sudut pandang aljabar. Pertama, cari nilai individu untukEdari dalam tabel seperti yang ada di Sumber Daya. Dengan volumeVdari setiap komponen dalam sampel yang dipilih diketahui, gunakan hubungan

DimanaE_Cadalah modulus campuran dan subscriptnyaFdansayamengacu pada komponen serat dan matriks masing-masing.

• Hubungan ini juga dapat dinyatakan sebagai (V_saya +V​_​F​ ) = 1 atauV​_​saya​ = (1 - ​V_F​ ).