Cara Menentukan Kepadatan Bahan Padat

Ketika Anda melihat atau mendengar katamassa jenis,jika Anda sama sekali tidak asing dengan istilah itu, kemungkinan besar itu akan memunculkan bayangan "keramaian" di benak Anda: jalan-jalan kota yang penuh sesak, katakanlah, atau ketebalan pepohonan yang tidak biasa di bagian taman di lingkungan.

Dan pada dasarnya, itulah yang dimaksud dengan kepadatan: konsentrasi sesuatu, dengan penekanan bukan pada jumlah total apa pun di tempat kejadian tetapi berapa banyak yang telah didistribusikan ke ruang yang tersedia.

Kepadatan adalah konsep penting dalam dunia ilmu fisika. Ini menawarkan cara untuk menghubungkan dasarmasalah -hal-hal kehidupan sehari-hari yang biasanya (tetapi tidak selalu) dapat dilihat dan dirasakan atau setidaknya entah bagaimana ditangkap dalam pengukuran di lingkungan laboratorium – ke ruang dasar, kerangka kerja yang kami gunakan untuk menavigasi dunia. Berbagai jenis materi di Bumi dapat memiliki kepadatan yang sangat berbeda, bahkan di dalam alam materi padat saja.

Pengukuran densitas padatan dilakukan dengan menggunakan metode yang berbeda dari yang digunakan dalam pengujian densitas cairan dan gas. Cara paling akurat untuk mengukur kerapatan sering kali bergantung pada situasi eksperimental, dan apakah Anda sampel hanya mencakup satu jenis materi (bahan) dengan sifat fisik dan kimia yang diketahui atau beberapa jenis.

Dalam fisika,kerapatan sampel bahan hanyalah massa total sampel dibagi dengan volumenya, terlepas dari bagaimana materi dalam sampel didistribusikan (kekhawatiran yang mempengaruhi sifat mekanik padatan yang bersangkutan).

Contoh sesuatu yang memiliki kepadatan yang dapat diprediksi dalam rentang tertentu, tetapi juga memiliki tingkat yang sangat bervariasi varying kepadatan keseluruhan, adalah tubuh manusia, yang terdiri dari rasio air, tulang, dan jenis lain yang kurang lebih tetap jaringan. Kepadatan dinyatakan menggunakan huruf Yunani rho:

Kepadatan dan massa keduanya sering dikacaukan denganbobot, meskipun untuk alasan yang mungkin berbeda. Berat hanyalah gaya yang dihasilkan dari percepatan gravitasi yang bekerja pada materi, atau massa:

Di Bumi, percepatan gravitasi memiliki nilai 9,8 m/s². SEBUAHmassadari 10 kg sehingga memilikibobotdari (10 kg) (9,8 m/s²) = 98 Newton (N).

Berat itu sendiri juga bingung dengan kepadatan, karena alasan sederhana yang diberikan dua benda dengan ukuran yang sama, yang satu dengan kepadatan yang lebih tinggi sebenarnya akan lebih berat. Ini adalah dasar dari pertanyaan jebakan lama, "Mana yang lebih berat, satu pon bulu atau satu pon timah?" Satu pon adalah satu pon tidak masalah apa, tapi kuncinya di sini adalah bahwa satu pon bulu akan memakan lebih banyak ruang daripada satu pon timah karena timah jauh lebih besar massa jenis.

Istilah fisika yang berkaitan erat dengan kerapatan adalahberat jenis(SG). Ini hanya kepadatan bahan yang diberikan dibagi dengan kepadatan air. Massa jenis air didefinisikan tepat 1 g/mL (atau setara, 1 kg/L) pada suhu kamar normal, 25 °C. Ini karena definisi liter dalam satuan SI (sistem internasional, atau "metrik") adalah jumlah air yang memiliki massa 1 kg.

Di permukaan, kemudian, ini tampaknya membuat SG menjadi informasi yang agak sepele: Mengapa membagi dengan 1? Sebenarnya, ada dua alasan. Salah satunya adalah bahwa kerapatan air dan bahan lain sedikit berbeda dengan suhu bahkan dalam rentang suhu kamar, jadi ketika pengukuran yang tepat diperlukan, variasi ini harus diperhitungkan karena nilai adalah suhu tergantung.

Juga, sementara kerapatan memiliki satuan g/mL atau sejenisnya, SG tidak memiliki satuan, karena itu hanya kerapatan dibagi kerapatan. Fakta bahwa kuantitas ini hanyalah sebuah konstanta membuat beberapa perhitungan yang melibatkan kerapatan menjadi lebih mudah.

Mungkin aplikasi praktis terbesar dari kepadatan bahan padat terletak pada:Prinsip Archimedes, ditemukan ribuan tahun yang lalu oleh seorang sarjana Yunani dengan nama yang sama. Prinsip ini menyatakan bahwa, ketika sebuah benda padat ditempatkan dalam cairan, benda tersebut dikenai jaring ke ataskekuatan apungsama denganbobotdari fluida yang dipindahkan.

Gaya ini tetap sama terlepas dari pengaruhnya terhadap benda, yang mungkin mendorongnya ke permukaan (jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida), biarkan ia mengapung sempurna di tempat (jika massa jenis benda sama persis dengan fluida) atau membiarkannya tenggelam (jika massa jenis benda lebih besar dari massa jenis cairan).

Secara simbolis, prinsip ini dinyatakan sebagaiF_B = W_f,dimanaF​_B adalah gaya apung danW​_f adalah berat fluida yang dipindahkan.

Dari berbagai metode yang digunakan untuk menentukan densitas suatu bahan padat,penimbangan hidrostatiklebih disukai karena paling akurat, jika bukan yang paling nyaman. Kebanyakan bahan padat yang diminati tidak berbentuk geometris yang rapi dengan volume yang mudah dihitung, sehingga membutuhkan penentuan volume secara tidak langsung.

Ini adalah salah satu dari banyak jalan kehidupan yang prinsip Archimedes berguna. Sebuah subjek ditimbang baik di udara maupun dalam cairan dengan kepadatan yang diketahui (air jelas menjadi pilihan yang berguna). Jika sebuah benda dengan massa "tanah" 60 kg (W = 588 N) memindahkan 50 L air ketika dicelupkan untuk menimbang, massa jenisnya harus 60 kg/50 L = 1,2 kg/L.

Jika, dalam contoh ini, Anda ingin mempertahankan benda yang lebih padat daripada air ini tetap di tempatnya dengan menerapkan gaya ke atas selain gaya apung, berapa besar gaya ini? Anda tinggal menghitung selisih antara berat air yang dipindahkan dan berat benda: 588 N – (50 kg) (9,8 m/s²) = 98 N

• Dalam skenario ini, 1/6 volume benda akan menonjol di atas air, karena massa air hanya 5/6 dari benda (1 g/mL vs. 1,2 g/mL).

Kadang-kadang Anda disajikan dengan objek yang berisi lebih dari satu jenis bahan, tetapi tidak seperti contoh tubuh manusia, mengandung bahan-bahan ini dengan cara yang terdistribusi secara merata. Artinya, jika Anda mengambil sampel kecil dari bahan, itu akan memiliki rasio yang sama dari bahan A ke bahan B seperti halnya seluruh objek.

Salah satu situasi di mana hal ini terjadi adalah dalam teknik struktur, di mana balok dan elemen pendukung lainnya sering dibuat dari dua jenis bahan: matriks (M) dan serat (F). Jika Anda memiliki sampel balok ini yang terdiri dari rasio volume yang diketahui dari kedua elemen ini, dan mengetahui kerapatan masing-masing, Anda dapat menghitung kerapatan komposit (ρ_C) menggunakan persamaan berikut:

Dimana_F dan_saya dan V_F dan Vm adalah kerapatan dan fraksi volume (yaitu, persentase balok yang terdiri dari serat atau matriks, dikonversi ke angka desimal) dari setiap jenis bahan.

​Contoh:Sampel 1.000 mL dari objek misteri mengandung 70 persen material berbatu dengan kerapatan 5 g/mL dan 30 persen materi seperti gel dengan kerapatan 2 g/mL. Berapa massa jenis benda (komposit)?