"Gravità specifica" è, a prima vista, un termine un po' fuorviante. Ha poco a che fare con la gravità, che è ovviamente un concetto indispensabile in una serie di problemi e applicazioni di fisica. Si riferisce invece alla quantità di materia (massa) di una sostanza specifica all'interno di un dato volume, posto contro lo standard della sostanza forse più vitale e onnipresente conosciuta dall'umanità - acqua.
Sebbene la gravità specifica non utilizzi esplicitamente il valore della gravità terrestre (che viene spesso definita forza, ma in realtà ha unità di accelerazione in fisica – 9,8 metri al secondo al secondo sulla superficie del pianeta, per l'esattezza), la gravità è una considerazione indiretta perché le cose che sono "più pesanti" hanno valori di gravità specifica più elevati rispetto alle cose che sono "più leggere". Ma cosa significano parole come "pesante" e "leggero" in il senso formale? Beh, a questo serve la fisica.
Densità: definizione
Innanzitutto, il peso specifico è strettamente correlato alla densità e i termini sono spesso usati in modo intercambiabile. Come con molti concetti nel mondo della scienza, questo è generalmente accettabile, ma quando si considera il effetto che piccoli cambiamenti di significato e quantità possono avere sul mondo fisico, non è trascurabile differenza.
La densità è semplicemente la massa divisa per il volume, punto. Se ti viene dato un valore per la massa di qualcosa e sai quanto spazio occupa, puoi calcolarne immediatamente la densità. (Anche qui possono sorgere problemi fastidiosi. Questo calcolo presuppone che il materiale abbia composizioni uniformi in tutta la sua massa e volume e che la sua densità sia quindi uniforme. Altrimenti, tutto ciò che stai calcolando è una densità media, che può essere o meno adatta ai requisiti del problema in questione.)
Naturalmente, è utile avere un numero che abbia senso quando hai finito con il tuo calcolo, uno che è comunemente usato. Quindi, se hai la massa di qualcosa in once e il volume in microlitri, diciamo, dividendo la massa per volume per ottenere la densità ti lascia con unità di once per microlitro molto scomode. Invece, mira a una delle unità comuni, come g/ml o grammi per millilitro (che è la stessa cosa di g/cm3o grammi per centimetro cubo). Per definizione originale, 1 ml di acqua pura ha una massa molto, molto vicina a 1 g, così vicina che la densità dell'acqua è quasi sempre semplicemente arrotondata a "esattamente" 1 per scopi quotidiani; questo rende g/ml un'unità particolarmente maneggevole, ed entra in gioco nel peso specifico.
Fattori che influenzano la densità
La densità delle sostanze è raramente costante. Ciò è particolarmente vero per liquidi e gas (cioè fluidi), che sono più sensibili alle variazioni di temperatura rispetto ai solidi. Liquidi e gas consentono anche l'aggiunta di massa extra senza variazioni di volume in un modo che i solidi non possono.
Ad esempio, l'acqua esiste allo stato liquido tra 0 gradi Celsius e 100 C. Man mano che si riscalda dall'estremità inferiore di questo intervallo all'estremità superiore, si espande. Cioè, la stessa quantità di massa consuma sempre più volume con l'aumento della temperatura. Di conseguenza, l'acqua diventa meno densa con l'aumentare della temperatura.
Un altro modo in cui i liquidi subiscono variazioni di densità è l'aggiunta di particelle che si dissolvono nel liquido, chiamate soluti. Ad esempio, l'acqua dolce contiene pochissimo sale (cloruro di sodio), mentre è noto che l'acqua di mare ne contiene una grande quantità. Quando il sale viene aggiunto all'acqua, la sua massa aumenta mentre il suo volume, a tutti gli effetti, no. Ciò significa che l'acqua di mare è più densa dell'acqua dolce e che l'acqua di mare con una salinità particolarmente elevata (contenuto di sale) è più densa dell'acqua di mare tipica o dell'acqua di mare con relativamente poco sale, come quella vicino alla foce di una grande acqua dolce fiume.
L'implicazione di queste differenze è che, poiché i materiali meno densi esercitano una minore quantità di pressione verso il basso rispetto ai materiali più densi, l'acqua spesso forma strati in base a differenze di temperatura, salinità o altro combinazione. Ad esempio, l'acqua già vicino alla superficie dell'acqua sarà riscaldata dal sole più di quanto lo farà l'acqua più profonda, rendendo quell'acqua di superficie meno densa e quindi ancora più probabile che rimanga in cima agli strati d'acqua sotto.
Gravità specifica: definizione
Le unità di gravità specifica sono non lo stesso che per la densità, che è massa per unità di volume. Questo perché la formula del peso specifico è leggermente diversa: è la densità del materiale in esame divisa per la densità dell'acqua. Più formalmente, l'equazione del peso specifico è:
(massa del materiale ÷ volume del materiale) ÷ (massa dell'acqua ÷ volume dell'acqua)
Se lo stesso contenitore viene utilizzato per misurare sia il volume dell'acqua che il volume della sostanza, allora questi i volumi possono essere trattati allo stesso modo e scomposti dall'equazione di cui sopra, lasciando la formula per il peso specifico come:
(massa di materiale ÷ massa d'acqua)
Poiché la densità divisa per la densità e la massa divisa per la massa sono entrambe senza unità, anche il peso specifico è senza unità. È semplicemente un numero.
La massa d'acqua in un contenitore di acqua fissa cambierà con la temperatura dell'acqua, che nella maggior parte dei casi è vicina alla temperatura della stanza in cui si trova se rimane ferma per un po' di tempo. Ricordiamo che la densità dell'acqua diminuisce con la temperatura quando l'acqua si espande. Nello specifico, l'acqua alla temperatura di 10 C ha una densità di 0,9997 g/ml, mentre l'acqua a 20 C ha una densità di 0,9982 g/ml. L'acqua a 30°C ha una densità di 0,9956 g/ml. Queste differenze di decimi di percento possono sembrare banali in superficie, ma quando vuoi determinare la densità di una sostanza con grande precisione, devi proprio ricorrere a specifici using gravità.
Unità e termini correlati
Volume specifico, indicato con v (piccola "v", e da non confondere con la velocità; contesto dovrebbe essere di aiuto qui), è un termine applicato ai gas, ed è il volume del gas diviso per la sua massa, o V/m. Questo è semplicemente il reciproco della densità del gas. Le unità qui sono solitamente m3/kg anziché ml/g, quest'ultimo è quello che ci si potrebbe aspettare data l'unità di densità più comune. Perché potrebbe essere questo? Bene, considera la natura dei gas: sono molto diffusi e raccoglierne una massa significativa non è facile a meno che non si sia in grado di trattare volumi maggiori.
Inoltre, il concetto di galleggiabilità è legato alla densità. In una sezione precedente, è stato notato che gli oggetti più densi esercitano una maggiore pressione verso il basso rispetto agli oggetti meno densi. Più in generale, ciò implica che un oggetto posto nell'acqua affonderà se la sua densità è maggiore di quella dell'acqua ma galleggerà se la sua densità è inferiore a quella dell'acqua. Come spiegheresti il comportamento dei cubetti di ghiaccio, basandoti solo su ciò che hai letto qui?
In ogni caso, la forza di galleggiamento è la forza di un fluido su un oggetto immerso in quel fluido che contrasta la forza di gravità che costringe l'oggetto ad affondare. Più un fluido è denso, maggiore è la forza di galleggiamento che eserciterà su un dato oggetto, riflessa nella minore probabilità di affondamento di quell'oggetto.