Kā noteikt cieto materiālu blīvumu

Kad redzi vai dzirdi vārdublīvums,ja jūs vispār esat pazīstams ar šo terminu, tas, visticamāk, izsauc jūsu prātā attēlus "pārpildīts": iesprūdušas pilsētas ielas, teiksim, vai neparasts koku biezums jūsu parka daļā apkārtne.

Un būtībā tas ir tas, uz ko attiecas blīvums: kaut kā koncentrācija, uzsverot nevis visa kopējo daudzumu ainā, bet gan to, cik daudz ir sadalīts pieejamajā telpā.

Blīvums ir kritisks jēdziens fizisko zinātņu pasaulē. Tas piedāvā veidu, kā saistīt pamatajautājums -ikdienas lietas, kuras parasti (bet ne vienmēr) var redzēt un sajust vai vismaz kaut kā notvert mērījumos laboratorijas apstākļos - uz pamata telpu, pašu sistēmu, kuru mēs izmantojam, lai pārvietotos pasaulē. Dažādiem matērijas veidiem uz Zemes var būt ļoti atšķirīgs blīvums, pat tikai cietās vielas sfērā.

Cietvielu blīvuma mērīšana tiek veikta, izmantojot dažādas metodes, nekā šķidrumu un gāzu blīvuma noteikšanā. Visprecīzākais blīvuma mērīšanas veids bieži ir atkarīgs no eksperimentālās situācijas un no tā, vai jūsu paraugā ietilpst tikai viena veida materiāli (materiāli) ar zināmām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām vai vairāki veidi.

Fizikāmateriāla parauga blīvums ir tikai parauga kopējā masa, dalīta ar tā tilpumu, neatkarīgi no tā, kā izdalās paraugā esošā viela (bažas, kas ietekmē attiecīgās cietās vielas mehāniskās īpašības).

Piemērs tam, kam ir paredzams blīvums noteiktā diapazonā, bet kuram ir arī ļoti atšķirīgs līmenis blīvums visā ir cilvēka ķermenis, kas sastāv no vairāk vai mazāk fiksētas ūdens, kaulu un citu veidu proporcijas audi. Blīvumu izsaka, izmantojot grieķu burtu rho:

Blīvumu un masu bieži sajauc arsvars, kaut arī varbūt dažādu iemeslu dēļ. Svars ir vienkārši spēks, ko rada gravitācijas paātrinājums, kas iedarbojas uz vielu vai masu:

Uz Zemes gravitācijas dēļ paātrinājuma vērtība ir 9,8 m / s². Amasalīdz 10 kg ir asvarsno (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 ņūtoni (N).

Arī pats svars tiek sajaukts ar blīvumu vienkārša iemesla dēļ, ka, ņemot vērā divus vienāda lieluma objektus, tas, kura blīvums ir lielāks, faktiski sver vairāk. Tas ir pamats vecajam trika jautājumam: "Kurš sver vairāk, mārciņa spalvu vai svina mārciņa?" Mārciņa ir mārciņa vienalga kas, bet galvenais šeit ir tas, ka spalvu mārciņa aizņems daudz vairāk vietas nekā svina mārciņa, jo svins ir daudz lielāks blīvums.

Fizikas termins, kas ir cieši saistīts ar blīvumu, irīpaša gravitāte(SG). Tas ir tikai attiecīgā materiāla blīvums, dalīts ar ūdens blīvumu. Ūdens blīvums ir precīzi 1 g / ml (vai ekvivalents - 1 kg / l) normālā istabas temperatūrā, 25 ° C. Tas ir tāpēc, ka pati litra definīcija SI (starptautiskā sistēma vai "metriskā") mērvienībās ir ūdens daudzums, kura masa ir 1 kg.

Pēc tam šķiet, ka tas padara SG par diezgan niecīgu informāciju: Kāpēc dalīt ar 1? Patiesībā ir divi iemesli. Viens no tiem ir tas, ka ūdens un citu materiālu blīvums nedaudz mainās atkarībā no temperatūras pat istabas temperatūras robežās, tāpēc, kad ir nepieciešami precīzi mērījumi, šī variācija ir jāņem vērā, jo ρ vērtība ir temperatūra atkarīgs.

Lai arī blīvumam ir vienības g / ml vai tamlīdzīgi, SG ir bez vienībām, jo ​​tas ir tikai blīvums, kas dalīts ar blīvumu. Fakts, ka šis daudzums ir tikai nemainīgs, atvieglo dažus blīvuma aprēķinus.

Varbūt vislielākais cieto materiālu blīvuma praktiskais pielietojums irArhimēda princips, ko pirms tūkstošiem gadu atklāja grieķu zinātnieks ar tādu pašu nosaukumu. Šis princips apgalvo, ka, ievietojot cietu priekšmetu šķidrumā, objekts ir pakļauts tīklam uz augšupeldošs spēksvienāds arsvarspārvietotā šķidruma.

Šis spēks ir vienāds neatkarīgi no tā ietekmes uz objektu, kas varētu būt tā virzīšana uz virsmas (ja objekta blīvums ir mazāks par šķidruma blīvumu), ļaujiet tam pilnīgi peldēt vietā (ja objekta blīvums ir tieši vienāds ar šķidruma blīvumu) vai ļaut tam nogrimt (ja objekta blīvums ir lielāks nekā šķidrums).

Simboliski šis princips tiek izteikts kāF_B = W_f,kurF​_B ir peldošais spēks unW​_f ir pārvietotā šķidruma svars.

No dažādām cietā materiāla blīvuma noteikšanas metodēmhidrostatiskā svēršanair vēlamais, jo tas ir visprecīzākais, ja ne visērtākais. Lielākā daļa cieto materiālu, kas interesē, nav glītu ģeometrisku formu formā ar viegli aprēķināmiem tilpumiem, kas prasa netiešu tilpuma noteikšanu.

Šī ir viena no daudzajām dzīves jomām, kurā Arhimēda princips ir noderīgs. Priekšmets tiek nosvērts gan gaisā, gan šķidrumā ar zināmu blīvumu (ūdens acīmredzami ir noderīga izvēle). Ja objekts, kura "zemes" masa ir 60 kg (W = 588 N), to iegremdējot svēršanai izspiež 50 L ūdens, tā blīvumam jābūt 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Ja šajā piemērā jūs vēlētos saglabāt šo objektu, kas ir blīvāks par ūdeni, apturētu savā vietā, papildus peldošajam spēkam pielietojot arī augšupejošu spēku, kāds būtu šī spēka lielums? Jūs vienkārši aprēķināt starpību starp pārvietotā ūdens un objekta svaru: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• Šajā scenārijā 1/6 no objekta tilpuma būtu izspiedusies virs ūdens, jo ūdens ir tikai 5 / 6daļas tikpat blīvs kā objekts (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Dažreiz jums tiek pasniegts objekts, kas satur vairāk nekā viena veida materiālus, bet atšķirībā no cilvēka ķermeņa piemēra, satur šos materiālus vienmērīgi. Tas ir, ja jūs paņemtu nelielu materiāla paraugu, tam būtu tāda pati materiāla A un materiāla B attiecība kā visam objektam.

Viena situācija, kurā tas notiek, ir konstrukciju projektēšana, kur sijas un citi atbalsta elementi bieži tiek izgatavoti no divu veidu materiāliem: matricas (M) un šķiedras (F). Ja jums ir šīs sijas paraugs, kas sastāv no zināmā šo divu elementu tilpuma koeficienta, un zināt to individuālos blīvumus, varat aprēķināt kompozīta blīvumu (ρ_C), izmantojot šādu vienādojumu:

Kur ρ_F un ρ_M un V_F un Vm ir katra materiāla veida blīvums un tilpuma daļas (t.i., šķiedras vai matricas sastāva kūļa procentuālais daudzums, pārrēķināts ar decimāldaļu skaitli).

​Piemērs:1000 ml noslēpuma objekta paraugā ir 70 procenti akmeņaina materiāla ar blīvumu 5 g / ml un 30 procenti gēlveida materiāla ar 2 g / ml blīvumu. Kāds ir objekta (salikta) blīvums?