Jak określić gęstość materiałów stałych

Kiedy widzisz lub słyszysz słowogęstość,jeśli w ogóle znasz ten termin, najprawdopodobniej przywołuje on do twojego umysłu obrazy „zatłoczenia”: powiedzmy zatłoczone ulice miasta lub niezwykła grubość drzew w części parku w twoim sąsiedztwo.

I w istocie do tego odnosi się gęstość: koncentracja czegoś, z naciskiem nie na całkowitą ilość czegokolwiek w scenie, ale na to, jak dużo zostało rozprowadzone w dostępnej przestrzeni.

Gęstość jest pojęciem krytycznym w świecie nauk fizycznych. Oferuje sposób na podstawowe odniesieniesprawa –rzeczy codziennego życia, które zwykle (ale nie zawsze) można zobaczyć i poczuć lub przynajmniej jakoś uchwycić w pomiarach w warunkach laboratoryjnych – do podstawowej przestrzeni, samej ramy, której używamy do poruszania się po świat. Różne rodzaje materii na Ziemi mogą mieć bardzo różne gęstości, nawet w obrębie samej materii stałej.

Pomiar gęstości ciał stałych odbywa się metodami innymi niż stosowane przy oznaczaniu gęstości cieczy i gazów. Najdokładniejszy sposób pomiaru gęstości często zależy od sytuacji eksperymentalnej i od tego, czy próbka zawiera tylko jeden rodzaj materii (materiału) o znanych właściwościach fizycznych i chemicznych lub wiele typy.

W fizycegęstość próbki materiału to tylko całkowita masa próbki podzielona przez jej objętość, niezależnie od rozmieszczenia materii w próbce (problem, który ma wpływ na właściwości mechaniczne danej substancji stałej).

Przykład czegoś, co ma przewidywalną gęstość w określonym zakresie, ale ma również bardzo różne poziomy gęstość w całym, to ludzkie ciało, które składa się z mniej lub bardziej stałego stosunku wody, kości i innych rodzajów tkanka. Gęstość wyraża się grecką literą rho:

Gęstość i masa są często mylone zwaga, choć może z innych powodów. Waga to po prostu siła wynikająca z przyspieszenia ziemskiego działającego na materię, czyli masy:

Na Ziemi przyspieszenie ziemskie ma wartość 9,8 m/s². ZAmasa10 kg ma zatem haswagaz (10 kg) (9,8 m/s²) = 98 Newtonów (N).

Sama waga jest również mylona z gęstością, z tego prostego powodu, że biorąc pod uwagę dwa obiekty tej samej wielkości, ten o większej gęstości będzie ważył więcej. To jest podstawa starego podchwytliwego pytania: „Kto waży więcej, funt piór czy funt ołowiu?” Funt to funt bez względu na to co, ale kluczem jest to, że funt piór zajmie znacznie więcej miejsca niż funt ołowiu, ponieważ ołów jest znacznie większy gęstość.

Termin fizyczny ściśle związany z gęstością tośrodek ciężkości(SG). To po prostu gęstość danego materiału podzielona przez gęstość wody. Gęstość wody definiuje się jako dokładnie 1 g/ml (lub równoważnie 1 kg/l) w normalnej temperaturze pokojowej 25 °C. Dzieje się tak, ponieważ sama definicja litra w jednostkach SI (system międzynarodowy lub „metryczny”) to ilość wody, która ma masę 1 kg.

Na pozór wydaje się więc, że SG jest raczej trywialną informacją: po co dzielić przez 1? W rzeczywistości są dwa powody. Jednym z nich jest to, że gęstość wody i innych materiałów zmienia się nieznacznie wraz z temperaturą, nawet w zakresie temperatury pokojowej, więc gdy potrzebne są precyzyjne pomiary, należy uwzględnić tę zmienność, ponieważ wartość ρ to temperatura zależny.

Ponadto, podczas gdy gęstość ma jednostki g/mL lub podobne, SG jest niemianowane, ponieważ jest to po prostu gęstość podzielona przez gęstość. Fakt, że ta wielkość jest tylko stałą, ułatwia niektóre obliczenia dotyczące gęstości.

Być może największe praktyczne zastosowanie gęstości materiałów stałych polega na:Zasada Archimedesa, odkryte tysiące lat temu przez greckiego uczonego o tym samym nazwisku. Ta zasada głosi, że gdy ciało stałe zostanie umieszczone w płynie, obiekt ten podlega sieci skierowanej ku górzeSiła wyporurównywagawypartego płynu.

Siła ta jest taka sama, niezależnie od jej wpływu na obiekt, który może polegać na wypchnięciu go w kierunku powierzchni (jeśli gęstość obiektu jest mniejsza niż gęstość płynu), pozwól na to idealnie unosić się w miejscu (jeśli gęstość obiektu jest dokładnie równa gęstości płynu) lub pozwolić mu opaść (jeśli gęstość obiektu jest większa niż gęstość płyn).

Symbolicznie zasada ta jest wyrażona jakofa_b = W_fa,gdziefa​_b jest siła wyporu iW​_fa to waga wypartego płynu.

Spośród różnych metod stosowanych do określania gęstości materiału stałego,ważenie hydrostatycznejest preferowana, ponieważ jest najdokładniejsza, jeśli nie najwygodniejsza. Większość interesujących materiałów stałych nie ma postaci zgrabnych kształtów geometrycznych o łatwo obliczonych objętościach, wymagających pośredniego określenia objętości.

Jest to jedna z wielu ścieżek życia, w których przydaje się zasada Archimedesa. Osobnik waży się zarówno w powietrzu, jak iw płynie o znanej gęstości (woda jest oczywiście użytecznym wyborem). Jeżeli obiekt o masie „lądowej” 60 kg (W = 588 N) wypiera 50 l wody, gdy jest zanurzony do ważenia, jego gęstość musi wynosić 60 kg/50 l = 1,2 kg/l.

Jeśli w tym przykładzie chciałbyś utrzymać ten gęstszy niż woda obiekt zawieszony w miejscu przez przykładanie siły skierowanej do góry oprócz siły wyporu, jaka byłaby wielkość tej siły? Wystarczy obliczyć różnicę między masą wypartej wody a masą obiektu: 588 N – (50 kg) (9,8 m/s²) = 98 N.

• W tym scenariuszu 1/6 objętości obiektu wystawiłaby ponad wodę, ponieważ woda ma tylko 5/6 gęstości od obiektu (1 g/ml w porównaniu z 1,2 g/ml).

Czasami pojawia się obiekt, który zawiera więcej niż jeden rodzaj materiału, ale w przeciwieństwie do ciała ludzkiego, zawiera te materiały w sposób równomiernie rozłożony. Oznacza to, że gdybyś pobrał maleńką próbkę materiału, miałby taki sam stosunek materiału A do materiału B, jak cały obiekt.

Jedną z sytuacji, w której tak się dzieje, jest inżynieria budowlana, gdzie belki i inne elementy nośne są często wykonane z dwóch rodzajów materiału: matrycy (M) i włókna (F). Jeśli masz próbkę tej belki złożoną ze znanego stosunku objętości tych dwóch pierwiastków i znasz ich poszczególne gęstości, możesz obliczyć gęstość kompozytu (ρ_do) za pomocą następującego równania:

Gdzie ρ_fa i ρ_M i V_fa a Vm są gęstościami i ułamkami objętości (tj. procentem wiązki składającej się z włókna lub matrycy, przeliczonej na liczbę dziesiętną) każdego rodzaju materiału.

​Przykład:1000 ml próbka tajemniczego obiektu zawiera 70 procent materiału skalistego o gęstości 5 g/mL i 30 procent materiału żelowatego o gęstości 2 g/mL. Jaka jest gęstość obiektu (kompozytu)?