Como calcular a densidade composta

Massa e densidade - junto com o volume, o conceito que liga essas duas quantidades, física e matematicamente - são dois dos conceitos mais fundamentais na ciência física. Apesar disso, e embora massa, densidade, volume e peso estejam cada um envolvido em incontáveis ​​milhões de cálculos em todo o mundo todos os dias, muitas pessoas são facilmente confundidas por essas quantidades.

​Densidade,que em termos físicos e cotidianos simplesmente se refere a uma concentração de algo dentro de um determinado espaço definido, geralmente significa "densidade de massa" e, portanto, se refere aoquantidade de matéria por unidade de volume. Abundam vários equívocos sobre a relação entre densidade e peso. Eles são compreensíveis e facilmente esclarecidos para a maioria com uma revisão como esta.

Além disso, o conceito dedensidade compostaé importante. Muitos materiais consistem naturalmente em, ou são fabricados a partir de, uma mistura de elementos ou moléculas estruturais, cada um com sua própria densidade. Se você sabe a proporção de materiais individuais entre si no item de interesse e pode pesquisar ou caso contrário, descobrir suas densidades individuais, então você pode determinar a densidade composta do material como um todo.

A densidade é atribuída à letra grega rho (ρ) e é simplesmente a massa de algo dividido por seu volume total:

As unidades SI (padrão internacional) são kg / m³, uma vez que quilogramas e metros são unidades SI de base para massa e deslocamento ("distância"), respectivamente. No entanto, em muitas situações da vida real, gramas por mililitro, ou g / mL, são uma unidade mais conveniente. Um mL = 1 centímetro cúbico (cc).

A forma de um objeto com um determinado volume e massa não afeta sua densidade, mesmo que isso possa afetar as propriedades mecânicas do objeto. Da mesma forma, dois objetos da mesma forma (e, portanto, volume) e massa sempre têm a mesma densidade, independentemente de como essa massa é distribuída.

Uma esfera sólida de massaMe raioRcom sua massa espalhada uniformemente por toda a esfera e uma esfera sólida de massaMe raioRcom sua massa concentrada quase inteiramente em uma fina "casca" externa têm a mesma densidade.

A densidade da água (H₂O) à temperatura ambiente e pressão atmosférica é definida como exatamente 1 g / mL (ou equivalente, 1 kg / L).

Nos dias da Grécia antiga, Arquimedes provou engenhosamente que quando um objeto é submerso na água (ou qualquer fluido), a força que experimenta é igual à massa da água deslocada vezes a gravidade (isto é, o peso do agua). Isso leva à expressão matemática

Em palavras, isso significa que a diferença entre a massa medida de um objeto e sua massa aparente quando submerso, dividida pela densidade do fluido, dá o volume do objeto submerso. Este volume é facilmente discernido quando o objeto é um objeto de forma regular, como uma esfera, mas a equação é útil para calcular os volumes de objetos de formas estranhas.

A L é 1000 cc = 1,000 mL. A aceleração devido à gravidade perto da superfície da Terra ég= 9,80 m / s².

Porque 1 L = 1.000 cc = (10 cm × 10 cm × 10 cm) = (0,1 m × 0,1 m × 0,1 m) = 10^-3 m³, existem 1.000 litros em um metro cúbico. Isso significa que um contêiner em forma de cubo sem massa de 1 m de cada lado poderia conter 1.000 kg = 2.204 libras de água, mais de uma tonelada. Lembre-se de que um metro tem apenas cerca de noventa centímetros; a água é talvez "mais espessa" do que você pensava!

A maioria dos objetos no mundo natural tem sua massa distribuída de forma desigual por todo o espaço que ocupam. Seu próprio corpo é um exemplo; Você pode determinar sua massa com relativa facilidade usando uma escala diária e, se você tivesse o equipamento certo, poderia determinar o volume do seu corpo submergindo-se em uma banheira de água e empregando princípio.

Mas você sabe que algumas partes são muito mais densas do que outras (osso vs. gordura, por exemplo), então hávariação localem densidade.

Alguns objetos podem ter uma composição uniforme e, portanto,densidade uniforme, apesar de ser feito de dois ou mais elementos ou compostos. Isso pode ocorrer naturalmente na forma de certos polímeros, mas é provável que seja uma consequência de um processo de fabricação estratégico, por exemplo, quadros de bicicleta de fibra de carbono.

Isso significa que, ao contrário do caso de um corpo humano, você obteria uma amostra de material com a mesma densidade, não importando de onde ou quão pequeno fosse o objeto. Em termos de receita, é "completamente misturado".

A densidade de massa simples demateriais compósitos, ou materiais feitos de dois ou mais materiais distintos com densidades individuais conhecidas, podem ser trabalhados usando um processo simples.

1. Encontre as densidades de todos os compostos (ou elementos) na mistura. Eles podem ser encontrados em muitas tabelas online; consulte Recursos para obter um exemplo.
2. Converta cada elemento ou contribuição do percentil do composto para a mistura em um número decimal (um número entre 0 e 1) dividindo por 100.
3. Multiplique cada decimal pela densidade de seu composto ou elemento correspondente.
4. Some os produtos da etapa 3. Essa será a densidade da mistura nas mesmas unidades selecionadas no início ou no problema.

Por exemplo, digamos que você receba 100 mL de um líquido com 40% de água, 30% de mercúrio e 30% de gasolina. Qual é a densidade da mistura?

Você sabe que, para água, ρ = 1,0 g / mL. Consultando a tabela, você descobre que ρ = 13,5 g / mL para o mercúrio e ρ = 0,66 g / mL para a gasolina. (Isso daria uma mistura muito tóxica, para registro.) Seguindo o procedimento acima:

A alta densidade da contribuição do mercúrio aumenta a densidade geral da mistura bem acima da da água ou da gasolina.

Em alguns casos, em contraste com a situação anterior em que apenas uma densidade verdadeira é procurada, a regra da mistura para compostos de partículas significa algo diferente. É uma preocupação de engenharia que relaciona a resistência geral ao estresse de uma estrutura linear, como uma viga, à resistência de seu indivíduofibraematrizconstituintes, como tais objetos são freqüentemente projetados estrategicamente para se conformar a certos requisitos de suporte de carga.

Isso geralmente é expresso em termos do parâmetro conhecido comomódulo de elasticidadeE​(também chamadoMódulo de Young, ou omódulos de elasticidade). O cálculo do módulo de elasticidade de materiais compostos é bastante simples do ponto de vista algébrico. Primeiro, procure os valores individuais paraEdo em uma tabela como a dos Recursos. Com os volumesVde cada componente na amostra escolhida conhecida, use a relação

OndeE_Cé o módulo da mistura e os subscritosFeMreferem-se a componentes de fibra e matriz, respectivamente.

• Essa relação também pode ser expressa como (V_M + V​_​F​ ) = 1 ouV​_​M​ = (1 - ​V_F​ ).