כשאתה רואה או שומע את המילהצְפִיפוּת,אם אתה בכלל מכיר את המונח, סביר להניח שהוא מזמן לתודעתך תמונות של "צפיפות": רחובות עיר מלאי תפוסים, למשל, או עובי העצים יוצא הדופן בחלק של פארק שלך שְׁכוּנָה.
ובעצם, זה מה שצפיפות מתייחסת אליו: ריכוז של משהו, עם דגש לא על הסכום הכולל של דבר בסצנה אלא כמה הופץ לשטח הפנוי.
צפיפות היא מושג קריטי בעולם מדעי הפיסיקה. זה מציע דרך להתייחס בסיסיתעניין -הדברים של חיי היומיום שלרוב (אך לא תמיד) ניתן לראות ולהרגיש או לפחות איכשהו להילכד במדידות בסביבת מעבדה - למרחב הבסיסי, המסגרת בה אנו משתמשים לניווט ב עוֹלָם. סוגים שונים של חומר על פני כדור הארץ יכולים להיות בעלי צפיפות שונה מאוד, אפילו בתחום החומר המוצק בלבד.
מדידת הצפיפות של מוצקים מתבצעת בשיטות שונות מאלה המועדות לבחינת צפיפות הנוזלים והגזים. הדרך המדויקת ביותר למדוד צפיפות תלויה לרוב במצב הניסוי, ובאם שלך המדגם כולל רק חומר אחד (חומר) בעל תכונות פיזיקליות וכימיות ידועות או מרובה סוגים.
מהי צפיפות?
בפיזיקה,הצפיפות של דגימת חומר היא רק המסה הכוללת של הדגימה חלקי נפחה, ללא קשר לאופן הפצת העניין במדגם (חשש שאכן משפיע על התכונות המכניות של המוצק המדובר).
דוגמה למשהו שיש לו צפיפות צפויה בטווח נתון, אך יש בו גם רמות משתנות מאוד צפיפות לכל אורכו, הוא גוף האדם, המורכב מיחס קבוע פחות או יותר של מים, עצם וסוגים אחרים של רִקמָה. צפיפות באה לידי ביטוי באמצעות האות היוונית rho:
\ rho = \ frac {m} {V}
צפיפות ומסה מבולבלים לעתים קרובות עםמִשׁקָל, אם כי מסיבות שונות אולי. משקל הוא פשוט הכוח הנובע מהאצת כוח הכבידה הפועל על חומר, או מסה:
F = מ"ג
בכדור הארץ, התאוצה הנובעת מכוח המשיכה היא בעלת ערך 9.8 מ / ש2. אמסהשל 10 ק"ג לפיכך ישמִשׁקָלשל (10 ק"ג) (9.8 מ / ש2) = 98 ניוטון (N).
המשקל עצמו מבולבל גם עם צפיפות, מהסיבה הפשוטה בהינתן שני עצמים באותו גודל, זה עם צפיפות גבוהה יותר ישקול למעשה יותר. זה הבסיס לשאלת הטריקים הישנה, "מה שוקל יותר, קילו נוצות או קילו עופרת?" לירה היא לירה לא משנה מה, אבל המפתח כאן הוא שקילו הנוצות יתפוס הרבה יותר מקום מאשר קילו עופרת בגלל העופרת הרבה יותר גדולה צְפִיפוּת.
צפיפות לעומת כוח משיכה ספציפי
מונח פיזיקה הקשור קשר הדוק לצפיפות הואכוח משיכה ספציפי(SG). זו רק הצפיפות של חומר נתון חלקי צפיפות המים. צפיפות המים מוגדרת להיות בדיוק 1 גרם / מ"ל (או שווה ערך, 1 ק"ג / ליטר) בטמפרטורת החדר הרגילה, 25 מעלות צלזיוס. הסיבה לכך היא שעצם ההגדרה של ליטר ביחידות SI (מערכת בינלאומית, או "מטרית") היא כמות המים שיש לה מסה של 1 ק"ג.
על פני השטח, נראה שזה הופך את SG לפיסת מידע טריוויאלית למדי: מדוע לחלק ב -1? למעשה, ישנן שתי סיבות. האחת היא שצפיפות המים והחומרים האחרים משתנה מעט עם הטמפרטורה גם בטווחי טמפרטורת החדר, לכן כאשר יש צורך במדידות מדויקות, יש לקחת בחשבון וריאציה זו מכיוון שערך ρ הוא טמפרטורה תלוי.
כמו כן, בעוד שלצפיפות יש יחידות של g / mL וכדומה, SG הוא ללא יחידות, מכיוון שזה רק צפיפות מחולק בצפיפות. העובדה שכמות זו היא קבוע בלבד מקלה על כמה חישובים הכרוכים בצפיפות.
עקרון ארכימדס
אולי היישום המעשי הגדול ביותר של צפיפות החומרים המוצקים טמון בכךהעיקרון של ארכימדס, שהתגלה לפני אלפי שנים על ידי חוקר יווני בעל אותו שם. עיקרון זה טוען שכאשר אובייקט מוצק מונח בנוזל, האובייקט נתון לרשת כלפי מעלהכוח צףשווה למִשׁקָלשל הנוזל העקור.
כוח זה זהה ללא קשר להשפעתו על האובייקט, שעשוי להיות לדחוף אותו לכיוון השטח (אם צפיפות האובייקט קטנה מזו של הנוזל), אפשרו לו לצוף בצורה מושלמת במקום (אם צפיפות האובייקט שווה בדיוק לזו של הנוזל) או לאפשר לו לשקוע (אם צפיפות האובייקט גדולה מזו של האובייקט נוֹזֵל).
באופן סמלי, עיקרון זה מתבטא כFב = Wf,איפהFב הוא הכוח הצף וWf הוא משקל הנוזל העקור.
מדידת צפיפות של מוצקים
מבין השיטות השונות המשמשות לקביעת צפיפות חומר מוצק,שקילה הידרוסטטיתהוא המועדף מכיוון שהוא הכי מדויק, אם לא הכי נוח. רוב החומרים המוצקים שמעניינים הם לא בצורה של צורות גיאומטריות מסודרות עם נפחים המחושבים בקלות, הדורשים קביעה עקיפה של נפח.
זהו אחד מתחומי החיים הרבים שעיקרונו של ארכימדס מועיל. נושא נשקל גם באוויר וגם בנוזל בעל צפיפות ידועה (ברור שהמים הם בחירה שימושית). אם חפץ בעל מסה "יבשתית" של 60 ק"ג (W = 588 N) מעביר 50 ליטר מים כאשר הוא טובל לשקילה, צפיפותו חייבת להיות 60 ק"ג / 50 ליטר = 1.2 ק"ג / ליטר.
אם, בדוגמה זו, רצית לשמור על חפץ צפוף יותר מאשר מים תלוי במקום על ידי הפעלת כוח כלפי מעלה בנוסף לכוח הצף, מה יהיה גודל הכוח הזה? אתה רק מחשב את ההפרש בין משקל המים העקורים למשקל האובייקט: 588 N - (50 ק"ג) (9.8 מ '/ ש'2) = 98 נ '
- בתרחיש זה, 1/6 מהנפח של האובייקט היה בולט מעל המים, מכיוון שהמים הם רק 5/6th צפוף כמו האובייקט (1 גרם / מ"ל לעומת 1.2 גרם / מ"ל).
צפיפות מורכבת של מוצקים
לפעמים מוצג בפניכם אובייקט שמכיל יותר מסוג אחד של חומר, אך בניגוד לדוגמא של גוף האדם, מכיל חומרים אלה בצורה מפוזרת באופן אחיד. כלומר, אם היית לוקח דגימה זעירה של החומר, יהיה לו אותו יחס של חומר A לחומר B כמו לאובייקט כולו.
מצב אחד בו זה קורה הוא בהנדסת מבנים, כאשר קורות ואלמנטים תומכים אחרים עשויים לרוב משני סוגים של חומר: מטריצה (M) וסיבים (F). אם יש לך מדגם של קרן זו המורכבת מיחס נפח ידוע של שני היסודות הללו, ואתה יודע את צפיפותם האישית, תוכל לחשב את צפיפות המורכב (ρג) באמצעות המשוואה הבאה:
\ rho_C = \ rho_FV_F + \ rho_MV_M
איפה ρF ו- ρM ו- V.F ו- Vm הם הצפיפויות ושברי הנפח (כלומר, אחוז הקורה המורכב מסיבים או מטריצה, המומר למספר עשרוני) של כל סוג חומר.
דוגמא:מדגם של 1,000 מ"ל של אובייקט מסתורי מכיל 70 אחוז חומר סלעי בצפיפות של 5 גרם / מ"ל ו- 30 אחוז חומר דמוי ג'ל בצפיפות של 2 גרם / מ"ל. מה צפיפות האובייקט (מרוכב)?
\ rho_C = \ rho_RV_R + \ rho_GV_G = (5) (0.70) + (2) (0.30) = 3.5 + 0.6 = 4.1 \ טקסט {g / mL}