固体材料の密度を決定する方法

あなたがその言葉を見たり聞いたりしたとき密度、この用語に精通している場合は、「混雑」のイメージを思い起こさせる可能性があります。 たとえば、混雑した街路、または公園の一部にある異常な太さの木々 ご近所。

そして本質的に、それは密度が指すものです：シーン内の何かの総量ではなく、利用可能なスペースにどれだけ分配されたかに重点を置いた、何かの集中。

密度は、物理科学の世界では重要な概念です。 それは基本を関連付ける方法を提供します案件 -通常（常にではありませんが）見たり感じたり、少なくとも何らかの形で捉えることができる日常生活のもの 実験室での測定–基本的な空間まで、私たちがナビゲートするために使用するフレームワークそのもの 世界。 地球上のさまざまな種類の物質は、固体の領域だけでも、密度が大きく異なる可能性があります。

固体の密度測定は、液体および気体の密度の分析に使用される方法とは異なる方法を使用して実行されます。 密度を測定する最も正確な方法は、多くの場合、実験状況と、 サンプルには、既知の物理的および化学的特性を持つ1つのタイプの物質（材料）または複数の物質が含まれます タイプ。

物理学では、材料のサンプルの密度は、サンプルの総質量をその体積で割ったものです。、サンプル内の物質がどのように分布しているかに関係なく（問題の固体の機械的特性に影響を与える懸念）。

与えられた範囲内で予測可能な密度を持っているが、レベルが大きく異なるものの例 全体の密度は人体であり、水、骨、その他の種類のほぼ一定の比率で構成されています 組織。 密度はギリシャ文字のrhoを使用して表されます。

密度と質量の両方がしばしば混同されます重量、おそらく別の理由で。 重量は、物質または質量に作用する重力の加速から生じる力です。

地球上では、重力による加速度の値は9.8 m / sです。². A質量したがって、10kgの重量の（10 kg）（9.8 m / s²）= 98ニュートン（N）。

重量自体も密度と混同されます。同じサイズの2つのオブジェクトが与えられた場合、密度が高い方が実際には重量が大きくなるという単純な理由からです。 これは、「1ポンドの羽または1ポンドの鉛のどちらがより重いか」という古いトリックの質問の基礎です。 ポンドは関係なくポンドです しかし、ここで重要なのは、鉛がはるかに大きいため、1ポンドの羽が1ポンドの鉛よりもはるかに多くのスペースを占めることです。 密度。

密度に密接に関連する物理学用語は比重（SG）。 これは、特定の材料の密度を水の密度で割ったものです。 水の密度は、通常の室温、25°Cで正確に1 g / mL（または同等に1 kg / L）と定義されています。 これは、SI（国際システムまたは「メートル法」）単位でのリットルの定義そのものが、1kgの質量を持つ水の量であるためです。

表面的には、これはSGをかなり些細な情報にしているように見えます。なぜ1で割るのですか？ 実際、2つの理由があります。 1つは、水やその他の材料の密度が、室温の範囲内でも温度によってわずかに変化することです。 したがって、正確な測定が必要な場合、ρの値は温度であるため、この変動を考慮する必要があります。 依存。

また、密度の単位はg / mL程度ですが、SGは密度を密度で割ったものであるため単位がありません。 この量が単なる定数であるという事実は、密度を含むいくつかの計算を容易にします。

おそらく、固体材料の密度の最大の実用的なアプリケーションはにありますアルキメデスの原理、同じ名前のギリシャの学者によって数千年前に発見されました。 この原理は、固体オブジェクトが流体に配置されると、オブジェクトは上向きのネットの影響を受けると主張しますふりょくに等しい重量押しのけられた流体の。

この力は、オブジェクトへの影響に関係なく同じです。オブジェクトを表面に向かって押す可能性があります（オブジェクトの密度が流体の密度よりも小さい場合）。 完全に所定の位置に浮かぶ（オブジェクトの密度が流体の密度と正確に等しい場合）、または沈むことを許可する（オブジェクトの密度が流体の密度よりも大きい場合） 体液）。

象徴的に、この原則は次のように表されます。F_B = W_f,どこF​_B 浮力であり、W​_f 押しのけられた流体の重量です。

固体材料の密度を決定するために使用されるさまざまな方法のうち、静水圧計量最も便利ではないにしても、最も正確であるため、が推奨されます。 対象となるほとんどの固体材料は、体積を簡単に計算できるきちんとした幾何学的形状ではなく、体積を間接的に決定する必要があります。

これは、アルキメデスの原理が役立つ多くの人生の歩みの1つです。 被験者は、空気と既知の密度の液体の両方で体重が測定されます（水は明らかに有用な選択です）。 「陸」の質量が60kg（W = 588 N）の物体が、計量のために浸漬されたときに50 Lの水を押しのける場合、その密度は60 kg / 50 L = 1.2 kg / Lでなければなりません。

この例で、浮力に加えて上向きの力を加えることによって、この水よりも密度の高いオブジェクトを所定の位置に吊り下げたままにしておきたい場合、この力の大きさはどのくらいですか？ 押しのけられた水の重量と物体の重量の差を計算するだけです：588 N –（50 kg）（9.8 m / s²）= 98N。

• このシナリオでは、水はオブジェクトの5/6の密度しかないため、オブジェクトの体積の1/6が水の上に突き出ています（1 g / mL vs. 1.2 g / mL）。

複数の種類のマテリアルを含むオブジェクトが表示されることがありますが、人体の例とは異なり、これらのマテリアルは均一に分散された方法で含まれています。 つまり、マテリアルの小さなサンプルを取得した場合、オブジェクト全体と同じ比率のマテリアルAとマテリアルBがあります。

これが発生する1つの状況は、構造工学であり、梁やその他の支持要素は、多くの場合、マトリックス（M）とファイバー（F）の2種類の材料でできています。 これら2つの要素の既知の体積比で構成されたこのビームのサンプルがあり、それらの個々の密度がわかっている場合は、複合材料の密度（ρ_C）次の式を使用します。

ここで、ρ_F およびρ_M およびV_F Vmは、各タイプの材料の密度と体積分率（つまり、ファイバーまたはマトリックスで構成されるビームのパーセンテージを10進数に変換したもの）です。

​例：ミステリーオブジェクトの1,000mLのサンプルには、密度が5 g / mLの岩石が70％、密度が2 g / mLのゲル状物質が30％含まれています。 オブジェクト（複合）の密度はどれくらいですか？