Kaip nustatyti kietųjų medžiagų tankį

Pamačius ar išgirdus žodįtankis,jei jūs iš viso esate susipažinęs su šiuo terminu, jis greičiausiai jūsų mintyse pakviečia „perkrautas“ vaizdus: tarkim, sausakimšos miesto gatvės, ar neįprastas medžių storis jūsų parko dalyje kaimynystėje.

Iš esmės tai reiškia tankis: kažko koncentracija, akcentuojant ne bendrą viso nieko scenoje kiekį, o tai, kiek išdalinta į laisvą erdvę.

Fizinių mokslų pasaulyje tankis yra kritinė sąvoka. Tai siūlo būdą susieti pagrindinius dalykusreikalas -kasdienio gyvenimo dalykai, kuriuos paprastai (bet ne visada) galima pamatyti ir pajusti ar bent kažkaip užfiksuoti atliekant matavimus laboratorijoje - į pagrindinę erdvę, patį pagrindą, kurį naudojame naršydami pasaulyje. Skirtingų rūšių materijos Žemėje gali turėti labai skirtingą tankį, net ir vien tik kietosios medžiagos srityje.

Kietųjų dalelių tankis matuojamas taikant kitokius metodus nei tie, kurie naudojami tiriant skysčių ir dujų tankį. Tiksliausias tankio matavimo būdas dažnai priklauso nuo eksperimentinės situacijos ir nuo to, ar jūsų mėginyje yra tik vienos rūšies medžiaga (medžiaga), turinti žinomas fizikines ir chemines savybes arba kelios tipai.

Fizikojemedžiagos mėginio tankis yra tik visa mėginio masė, padalyta iš jo tūrio, nepriklausomai nuo to, kaip pasiskirsto mėginyje esanti medžiaga (susirūpinimas, kuris daro įtaką aptariamos kietosios medžiagos mechaninėms savybėms).

Kažko pavyzdys, kurio tankis tam tikrame diapazone yra numatomas, tačiau jo lygis yra labai skirtingas tankis yra žmogaus kūnas, kurį sudaro daugiau ar mažiau fiksuotas vandens, kaulų ir kitų rūšių santykis audinio. Tankis išreiškiamas graikų rho raide:

Tankis ir masė dažnai yra painiojamisvoris, nors galbūt dėl ​​skirtingų priežasčių. Svoris yra tiesiog jėga, atsirandanti dėl materijos arba masės veikimo sunkio pagreičio:

Žemėje pagreitis dėl gravitacijos yra 9,8 m / s². Amasės10 kg svorio turi asvoris(10 kg) (9,8 m / s)²) = 98 niutonai (N).

Pats svoris taip pat yra painiojamas su tankiu dėl tos paprastos priežasties, kad atsižvelgiant į du to paties dydžio objektus, tas, kurio tankis didesnis, iš tikrųjų sver daugiau. Tai yra seno gudrybės klausimo „Kuris sveria daugiau, svaras plunksnų ar svaras švino“ pagrindas? Svaras yra svaras, nesvarbu kas, bet svarbiausia yra tai, kad plunksnų svaras užims daug daugiau vietos nei svaras švino, nes švinas yra daug didesnis tankis.

Fizikos terminas, glaudžiai susijęs su tankiu, yraspecifinė gravitacija(SG). Tai tik tam tikros medžiagos tankis, padalytas iš vandens tankio. Vandens tankis yra tiksliai 1 g / ml (arba lygiavertis, 1 kg / l) esant normaliai kambario temperatūrai, 25 ° C. Taip yra todėl, kad pats litro apibrėžimas SI (tarptautinė sistema arba „metrinė“) vienetais yra vandens kiekis, kurio masė yra 1 kg.

Taigi, atrodo, kad tai paverčia SG gana nereikšminga informacija: kam dalytis iš 1? Iš tikrųjų yra dvi priežastys. Vienas iš jų yra tai, kad vandens ir kitų medžiagų tankis šiek tiek skiriasi priklausomai nuo temperatūros, net kambario temperatūros diapazone, taigi, kai reikia tikslių matavimų, reikia atsižvelgti į šį pokytį, nes ρ reikšmė yra temperatūra priklausomas.

Be to, nors tankis turi g / ml ar panašius vienetus, SG yra vienetas, nes jis yra tik tankis, padalytas iš tankio. Tai, kad šis kiekis yra tik konstanta, palengvina kai kuriuos skaičiavimus, susijusius su tankiu.

Bene didžiausias kietųjų medžiagų tankio praktinis pritaikymas yraArchimedo principas, kurį prieš tūkstantmečius atrado to paties pavadinimo graikų mokslininkas. Šis principas tvirtina, kad kai kietas daiktas dedamas į skystį, objektas patenka į tinklą į viršųplūduriuojanti jėgalygussvorisišstumto skysčio.

Ši jėga yra tokia pati, neatsižvelgiant į jos poveikį objektui, kuris gali ją stumti link paviršiaus (jei objekto tankis yra mažesnis nei skysčio tankis), leiskite jai plaukioti vietoje (jei objekto tankis yra lygus skysčio tankiui) arba leisti jam nuskęsti (jei objekto tankis yra didesnis nei skystis).

Simboliškai šis principas išreiškiamas kaipF_B = W_f,kurF​_B yra plūduriuojanti jėga irW​_f yra išstumto skysčio svoris.

Iš įvairių metodų, naudojamų kietosios medžiagos tankiui nustatyti,hidrostatinis svėrimasyra pageidaujama, nes ji yra tiksliausia, jei ne patogiausia. Dauguma dominančių kietųjų medžiagų nėra tvarkingų geometrinių formų, lengvai apskaičiuojamų tūrių, todėl netiesiogiai reikia nustatyti tūrį.

Tai yra viena iš daugelio gyvenimo sričių, kuri Archimedo principas yra naudinga. Tiriamasis asmuo sveriamas tiek ore, tiek žinomo tankio skystyje (vanduo akivaizdžiai yra naudingas pasirinkimas). Jei daiktas, kurio „sausumos“ masė yra 60 kg (W = 588 N), panardinamas pasverti, išstumia 50 L vandens, jo tankis turi būti 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Jei šiame pavyzdyje norėtumėte, kad šis tankesnis už vandenį objektas būtų pakabintas vietoje, be plūduriuojančios jėgos, taikant aukštyn nukreiptą jėgą, koks būtų šios jėgos dydis? Jūs tik apskaičiuojate išstumto vandens ir objekto svorio skirtumą: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• Pagal šį scenarijų 1/6 objekto tūrio būtų išsikišęs virš vandens, nes vanduo yra tik 5/6-os dalies tankesnis nei objektas (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Kartais jums pateikiamas daiktas, kuriame yra daugiau nei vienos rūšies medžiaga, tačiau, skirtingai nei žmogaus kūno pavyzdyje, šiose medžiagose yra vienodai paskirstyta. Tai yra, jei paimtumėte mažą medžiagos pavyzdį, jos medžiagos A ir medžiagos B santykis būtų toks pats kaip ir viso objekto.

Viena situacija, kai taip atsitinka, yra konstrukcijų inžinerija, kai sijos ir kiti atraminiai elementai dažnai yra pagaminti iš dviejų rūšių medžiagų: matricos (M) ir pluošto (F). Jei turite šio pluošto mėginį, kurį sudaro žinomas šių dviejų elementų tūrio santykis, ir žinote jų individualius tankius, galite apskaičiuoti kompozito tankį (ρ_C) naudojant šią lygtį:

Kur ρ_F ir ρ_M ir V_F ir Vm yra kiekvienos rūšies medžiagos tankis ir tūrio dalys (t. y. pluošto arba matricos pluošto procentinė dalis, perskaičiuota po dešimtainio skaičiaus).

​Pavyzdys:1000 ml paslaptingo objekto mėginyje yra 70 procentų uolingos medžiagos, kurios tankis 5 g / ml, ir 30 procentų į gelį panašios medžiagos, kurios tankis 2 g / ml. Koks daikto (kompozito) tankis?