Hvordan bestemme tettheten av faste materialer

Når du ser eller hører ordettetthet,Hvis du i det hele tatt er kjent med begrepet, innkaller det mest sannsynlig bilder av "overfylthet": tettpakket bygater, si eller trærens uvanlige tykkelse i en del av en park i din nabolag.

Og i det vesentlige er det det tettheten refererer til: en konsentrasjon av noe, med vekt ikke på den totale mengden av noe i scenen, men hvor mye som er distribuert i tilgjengelig plass.

Tetthet er et kritisk begrep i den fysiske vitenskapen. Det gir en måte å forholde seg til grunnleggendesaken -de tingene i hverdagen som vanligvis (men ikke alltid) kan sees og føles eller i det minste på en eller annen måte fanges opp i målinger i laboratorieinnstillinger - til grunnleggende plass, selve rammen vi bruker for å navigere i verden. Ulike typer materier på jorden kan ha svært forskjellige tettheter, selv innenfor det faste stoffet alene.

Tetthetsmåling av faste stoffer utføres ved hjelp av forskjellige metoder enn de som brukes til å analysere tettheter av væsker og gasser. Den mest nøyaktige måten å måle tetthet avhenger ofte av den eksperimentelle situasjonen, og av om din prøven inneholder bare en type materie (materiale) med kjente fysiske og kjemiske egenskaper eller flere typer.

I fysikk,tettheten til en prøve av materiale er bare den totale massen av prøven delt på volumet, uavhengig av hvordan saken i prøven fordeles (en bekymring som påvirker de mekaniske egenskapene til det aktuelle faststoffet).

Et eksempel på noe som har en forutsigbar tetthet innenfor et gitt område, men som også har svært varierende nivåer av tetthet i hele, er menneskekroppen, som består av et mer eller mindre fast forhold mellom vann, bein og andre typer vev. Tetthet uttrykkes ved hjelp av den greske bokstaven rho:

Tetthet og masse forveksles ofte medvekt, men av kanskje forskjellige grunner. Vekt er rett og slett kraften som skyldes tyngdekraftens akselerasjon som virker på materie eller masse:

På jorden har akselerasjonen på grunn av tyngdekraften verdien 9,8 m / s². ENmassepå 10 kg har altså envektpå (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newton (N).

Vekten i seg selv er også forvekslet med tetthet, av den enkle årsaken at gitt to objekter av samme størrelse, vil den med høyere tetthet faktisk veie mer. Dette er grunnlaget for det gamle triksspørsmålet, "Hvilken veier mer, et pund fjær eller et pund bly?" Et pund er et pund uansett hva, men nøkkelen her er at fjærpunden vil ta langt mer plass enn et pund bly på grunn av bly som er langt større tetthet.

Et fysikkuttrykk nært knyttet til tetthet erspesifikk tyngdekraft(SG). Dette er bare tettheten til et gitt materiale delt på tettheten av vann. Tettheten av vann er definert til å være nøyaktig 1 g / ml (eller tilsvarende 1 kg / l) ved normal romtemperatur, 25 ° C. Dette er fordi selve definisjonen av en liter i SI (internasjonale system, eller "metriske") enheter er mengden vann som har en masse på 1 kg.

På overflaten ser dette ut til å gjøre SG til en ganske triviell informasjon: Hvorfor dele med 1? Det er faktisk to grunner. Det ene er at tettheten til vann og andre materialer varierer litt med temperaturen selv innenfor romtemperaturområdet, så når det er behov for nøyaktige målinger, må denne variasjonen tas i betraktning fordi verdien av ρ er temperaturen avhengig.

Selv om tetthet har enheter på g / ml eller lignende, er SG også enhetsløs, fordi det bare er en tetthet delt på en tetthet. Det faktum at denne mengden bare er en konstant, gjør noen beregninger med tetthet lettere.

Kanskje den største praktiske anvendelsen av tettheten av faste materialer ligger iArchimedes 'prinsipp, oppdaget for tusenvis av år siden av en gresk forsker med samme navn. Dette prinsippet hevder at når en solid gjenstand plasseres i en væske, er gjenstanden utsatt for et nett oppoverflytende kraftlikvektav den fortrengte væsken.

Denne kraften er den samme uansett dens innvirkning på gjenstanden, som kan være å skyve den mot overflaten (hvis densiteten til gjenstanden er mindre enn væskens), la den å flyte perfekt på plass (hvis objektets tetthet er nøyaktig lik væskens) eller la den synke (hvis gjenstandens tetthet er større enn dens væske).

Symbolisk uttrykkes dette prinsippet somF_B = W_f,hvorF​_B er den kraftige kraften ogW​_f er vekten av den fortrengte væsken.

Av de forskjellige metodene som brukes til å bestemme tettheten til et fast materiale,hydrostatisk veiinger den foretrukne fordi den er den mest nøyaktige, om ikke den mest praktiske. De fleste faste materialer av interesse er ikke i form av pene geometriske former med lett beregnede volumer, og krever en indirekte bestemmelse av volumet.

Dette er en av de mange samfunnslag som Archimedes 'prinsipp kommer til nytte. Et subjekt veies i både luft og i en væske med kjent tetthet (vann er åpenbart et nyttig valg). Hvis en gjenstand med en "landmasse" på 60 kg (W = 588 N) fortrenger 50 L vann når den senkes ned for veiing, må densiteten være 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Hvis du i dette eksemplet ønsket å holde denne tettere enn vann-gjenstanden suspendert på plass ved å påføre en oppadgående kraft i tillegg til den kraftige kraften, hva ville størrelsen på denne kraften være? Du beregner bare forskjellen mellom vekten på det fortrengte vannet og gjenstandens vekt: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• I dette scenariet vil 1/6 av volumet av objektet stikke ut over vannet, fordi vannet bare er 5 / 6ther så tett som objektet (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Noen ganger blir du presentert for et objekt som inneholder mer enn én type materiale, men i motsetning til menneskekroppen, inneholder disse materialene på en jevnt fordelt måte. Det vil si at hvis du tok en liten prøve av materialet, ville det ha samme forhold mellom materiale A og materiale B som hele objektet gjør.

En situasjon der dette skjer er i konstruksjonsteknikk, hvor bjelker og andre støtteelementer ofte er laget av to typer materialer: matrise (M) og fiber (F). Hvis du har et utvalg av denne strålen som består av et kjent volumforhold mellom disse to elementene, og kjenner deres individuelle tetthet, kan du beregne tettheten til kompositten (ρ_C) ved hjelp av følgende ligning:

Hvor ρ_F og ρ_M og V_F og Vm er tettheter og volumfraksjoner (dvs. prosentandelen av strålen som består av fiber eller matrise, omgjort til et desimaltall) av hver type materiale.

​Eksempel:En prøve på 1000 ml av et mysteriumobjekt inneholder 70 prosent steinete materiale med en tetthet på 5 g / ml og 30 prosent gelignende materiale med en tetthet på 2 g / ml. Hva er tettheten til objektet (kompositt)?