Hoe de dichtheid van vaste materialen te bepalen

Wanneer je het woord ziet of hoortdichtheid,als je al bekend bent met de term, roept het hoogstwaarschijnlijk beelden op van "drukte": overvolle stadsstraten, zeg maar, of de ongebruikelijke dikte van de bomen in een deel van een park in je buurt.

En in wezen is dat waar dichtheid naar verwijst: een concentratie van iets, met de nadruk niet op de totale hoeveelheid van iets in de scène, maar op hoeveel er in de beschikbare ruimte is verdeeld.

Dichtheid is een kritisch concept in de natuurwetenschappelijke wereld. Het biedt een manier om de basis te relaterener toe doen -de dingen van het dagelijks leven die meestal (maar niet altijd) kunnen worden gezien en gevoeld of op de een of andere manier kunnen worden vastgelegd bij metingen in een laboratoriumomgeving - naar de basisruimte, het raamwerk dat we gebruiken voor het navigeren door de wereld. Verschillende soorten materie op aarde kunnen zeer verschillende dichtheden hebben, zelfs binnen het rijk van alleen vaste materie.

De dichtheidsmeting van vaste stoffen wordt uitgevoerd met behulp van andere methoden dan die welke worden gebruikt bij het bepalen van de dichtheden van vloeistoffen en gassen. De meest nauwkeurige manier om dichtheid te meten hangt vaak af van de experimentele situatie en van de vraag of uw monster bevat slechts één type materie (materiaal) met bekende fysische en chemische eigenschappen of meerdere types.

in de natuurkunde,de dichtheid van een materiaalmonster is gewoon de totale massa van het monster gedeeld door het volume, ongeacht hoe de materie in het monster is verdeeld (een zorg die de mechanische eigenschappen van de vaste stof in kwestie beïnvloedt).

Een voorbeeld van iets met een voorspelbare dichtheid binnen een bepaald bereik, maar ook sterk variërende niveaus van dichtheid overal, is het menselijk lichaam, dat bestaat uit een min of meer vaste verhouding van water, bot en andere soorten zakdoek. Dichtheid wordt uitgedrukt met de Griekse letter rho:

Dichtheid en massa worden beide vaak verward met:gewicht, hoewel misschien om andere redenen. Gewicht is gewoon de kracht die het gevolg is van de versnelling van de zwaartekracht die op materie of massa inwerkt:

Op aarde heeft de versnelling door de zwaartekracht de waarde 9,8 m/s². EENmassa-van 10 kg heeft dus eengewichtvan (10 kg) (9,8 m/s²) = 98 Newton (N).

Gewicht zelf wordt ook verward met dichtheid, om de eenvoudige reden dat gegeven twee objecten van dezelfde grootte, degene met een hogere dichtheid in feite meer zal wegen. Dit is de basis voor de oude strikvraag: "Wat weegt meer, een pond veren of een pond lood?" Een pond is een pond, ongeacht wat, maar de sleutel hier is dat het pond veren veel meer ruimte in beslag zal nemen dan een pond lood vanwege de veel grotere dichtheid.

Een natuurkundige term die nauw verwant is aan dichtheid issoortelijk gewicht(SG). Dit is gewoon de dichtheid van een bepaald materiaal gedeeld door de dichtheid van water. De dichtheid van water wordt gedefinieerd als exact 1 g/ml (of equivalent, 1 kg/L) bij normale kamertemperatuur, 25 °C. Dit komt omdat de definitie van een liter in SI-eenheden (internationaal systeem of "metrische") de hoeveelheid water is met een massa van 1 kg.

Op het eerste gezicht lijkt dit SG een nogal triviaal stukje informatie te maken: waarom delen door 1? In feite zijn er twee redenen. Een daarvan is dat de dichtheid van water en andere materialen enigszins varieert met de temperatuur, zelfs binnen kamertemperatuurbereiken, dus wanneer nauwkeurige metingen nodig zijn, moet met deze variatie rekening worden gehouden omdat de waarde van ρ temperatuur is afhankelijk.

Ook, terwijl dichtheid eenheden van g/ml of iets dergelijks heeft, is SG eenheidsloos, omdat het slechts een dichtheid is gedeeld door een dichtheid. Het feit dat deze hoeveelheid slechts een constante is, maakt sommige berekeningen met dichtheid gemakkelijker.

Misschien wel de grootste praktische toepassing van de dichtheid van vaste materialen ligt in:Het principe van Archimedesmede, millennia geleden ontdekt door een Griekse geleerde met dezelfde naam. Dit principe stelt dat, wanneer een vast object in een vloeistof wordt geplaatst, het object wordt onderworpen aan een net omhoogdrijfkrachtgelijk aan degewichtvan de verplaatste vloeistof.

Deze kracht is hetzelfde, ongeacht het effect op het object, wat zou kunnen zijn om het naar het oppervlak te duwen (als de dichtheid van het object kleiner is dan die van de vloeistof), laat het toe perfect op zijn plaats drijven (als de dichtheid van het object precies gelijk is aan die van de vloeistof) of laten zinken (als de dichtheid van het object groter is dan die van de vloeistof).

Symbolisch wordt dit principe uitgedrukt als:F_B = W_f,waarF​_B is de drijvende kracht enW​_f is het gewicht van de verplaatste vloeistof.

Van de verschillende methoden die worden gebruikt om de dichtheid van een vast materiaal te bepalen,hydrostatisch wegenheeft de voorkeur omdat dit de meest nauwkeurige, zo niet de handigste is. De meeste vaste materialen die van belang zijn, hebben niet de vorm van nette geometrische vormen met gemakkelijk te berekenen volumes, waarvoor een indirecte bepaling van het volume nodig is.

Dit is een van de vele levensgebieden waarin het principe van Archimedes goed van pas komt. Een proefpersoon wordt zowel in lucht als in een vloeistof met bekende dichtheid gewogen (water is uiteraard een nuttige keuze). Als een object met een "land"-massa van 60 kg (W = 588 N) 50 L water verplaatst wanneer het wordt ondergedompeld om te wegen, moet de dichtheid 60 kg/50 L = 1,2 kg/L zijn.

Als u in dit voorbeeld dit object met een grotere dichtheid dan water op zijn plaats zou willen houden door een opwaartse kracht uit te oefenen naast de opwaartse kracht, wat zou dan de grootte van deze kracht zijn? U berekent alleen het verschil tussen het gewicht van het verplaatste water en het gewicht van het object: 588 N – (50 kg)(9,8 m/s)²) = 98 N.

• In dit scenario zou 1/6e van het volume van het object boven het water uitsteken, omdat het water slechts 5/6e zo dicht is als het object (1 g/ml vs. 1,2 g/ml).

Soms krijg je een object voorgeschoteld dat meer dan één soort materiaal bevat, maar in tegenstelling tot het voorbeeld van het menselijk lichaam, deze materialen op een uniform verdeelde manier bevat. Dat wil zeggen, als je een klein monster van het materiaal zou nemen, zou het dezelfde verhouding van materiaal A tot materiaal B hebben als het hele object.

Een situatie waarin dit voorkomt is in de bouwkunde, waar balken en andere ondersteunende elementen vaak van twee soorten materiaal zijn gemaakt: matrix (M) en vezel (F). Als je een monster hebt van deze balk die bestaat uit een bekende volumeverhouding van deze twee elementen, en je kent hun individuele dichtheden, dan kun je de dichtheid van de composiet berekenen (ρ_C) met behulp van de volgende vergelijking:

Waar_F en_M en V_F en Vm zijn de dichtheden en volumefracties (d.w.z. het percentage van de bundel dat bestaat uit vezels of matrix, omgerekend naar een decimaal getal) van elk type materiaal.

​Voorbeeld:Een monster van 1000 ml van een mysterieus object bevat 70 procent rotsachtig materiaal met een dichtheid van 5 g/ml en 30 procent gelachtig materiaal met een dichtheid van 2 g/ml. Wat is de dichtheid van het object (composiet)?