Când vezi sau auzi cuvântuldensitate,dacă sunteți familiarizați cu termenul, cel mai probabil vă invocă în minte imagini de „aglomerare”: străzile orașului pline de blocaje, de exemplu, sau grosimea neobișnuită a copacilor dintr-o parte a unui parc din dumneavoastră Cartier.
Și, în esență, la asta se referă densitatea: o concentrare a ceva, cu accent nu pe cantitatea totală de nimic din scenă, ci pe cât a fost distribuit în spațiul disponibil.
Densitatea este un concept critic în lumea științelor fizice. Oferă o modalitate de a relaționa de bazăcontează -chestii din viața de zi cu zi care de obicei (dar nu întotdeauna) pot fi văzute și simțite sau cel puțin cumva surprinse în măsurători într-un cadru de laborator - în spațiul de bază, chiar cadrul pe care îl folosim pentru navigarea pe lume. Diferite tipuri de materii de pe Pământ pot avea densități foarte diferite, chiar și numai în domeniul materiei solide.
Măsurarea densității solidelor se realizează folosind metode diferite de cele utilizate în analiza densităților lichidelor și gazelor. Cea mai precisă modalitate de a măsura densitatea depinde adesea de situația experimentală și de dacă proba include doar un tip de materie (material) cu proprietăți fizice și chimice cunoscute sau multiple tipuri.
Ce este densitatea?
În fizică,densitatea unui eșantion de material este doar masa totală a eșantionului împărțită la volumul său, indiferent de modul în care este distribuită materia din eșantion (o preocupare care afectează proprietățile mecanice ale solidului în cauză).
Un exemplu de ceva care are o densitate previzibilă într-un anumit interval, dar are și nivele foarte variabile de densitatea peste tot este corpul uman, care este alcătuit dintr-un raport mai mult sau mai puțin fix de apă, os și alte tipuri de țesut. Densitatea se exprimă folosind litera greacă rho:
\ rho = \ frac {m} {V}
Densitatea și masa sunt confundate adesea cugreutate, deși poate din diferite motive. Greutatea este pur și simplu forța rezultată din accelerația gravitației care acționează asupra materiei sau masei:
F = mg
Pe Pământ, accelerația datorată gravitației are valoarea de 9,8 m / s2. Amasade 10 kg are astfel ungreutatede (10 kg) (9,8 m / s2) = 98 Newtoni (N).
Greutatea în sine este, de asemenea, confundată cu densitatea, pentru simplul motiv că, având în vedere două obiecte de aceeași dimensiune, cel cu o densitate mai mare va cântări de fapt mai mult. Aceasta este baza vechii întrebări despre trucuri: „Care cântărește mai mult, un kilogram de pene sau un kilogram de plumb?” O lira este o lira indiferent ce, dar cheia aici este că lira de pene va ocupa mult mai mult spațiu decât o lire de plumb din cauza plumbului mult mai mare densitate.
Densitate vs. Gravitație specifică
Un termen de fizică strâns legat de densitate estegravitație specifică(SG). Aceasta este doar densitatea unui anumit material împărțită la densitatea apei. Densitatea apei este definită ca fiind exact 1 g / mL (sau echivalent, 1 kg / L) la temperatura camerei normale, 25 ° C. Acest lucru se datorează faptului că însăși definiția unui litru în unități SI (sistem internațional sau „metric”) este cantitatea de apă care are o masă de 1 kg.
La suprafață, atunci, acest lucru pare să facă din SG o informație destul de banală: de ce să împărțim la 1? De fapt, există două motive. Una este că densitatea apei și a altor materiale variază ușor în funcție de temperatură, chiar și în limitele temperaturii camerei, deci, atunci când sunt necesare măsurători precise, această variație trebuie luată în considerare deoarece valoarea lui ρ este temperatura dependent.
De asemenea, în timp ce densitatea are unități de g / ml sau altele asemenea, SG este fără unitate, deoarece este doar o densitate împărțită la o densitate. Faptul că această cantitate este doar o constantă face mai ușoare unele calcule care implică densitatea.
Principiul lui Arhimede
Poate că cea mai mare aplicare practică a densității materialelor solide se află înPrincipiul lui Arhimede, descoperit în urmă cu milenii de către un savant grec cu același nume. Acest principiu afirmă că, atunci când un obiect solid este plasat într-un fluid, obiectul este supus unei rețele ascendenteforță plutitoareegal cugreutatea fluidului deplasat.
Această forță este aceeași indiferent de efectul său asupra obiectului, care ar putea fi acela de a-l împinge spre suprafață (dacă densitatea obiectului este mai mică decât cea a fluidului), permiteți-i să plutească perfect în poziție (dacă densitatea obiectului este exact egală cu cea a fluidului) sau să-i permită să se scufunde (dacă densitatea obiectului este mai mare decât cea a fluid).
În mod simbolic, acest principiu este exprimat caFB = Wf,UndeFB este forța plutitoare șiWf este greutatea fluidului deplasat.
Măsurarea densității solidelor
Dintre diferitele metode utilizate pentru a determina densitatea unui material solid,cântărire hidrostaticăeste cel preferat deoarece este cel mai precis, dacă nu chiar cel mai convenabil. Cele mai multe materiale solide de interes nu sunt sub formă de forme geometrice îngrijite cu volume ușor calculate, care necesită o determinare indirectă a volumului.
Acesta este unul dintre numeroasele domenii ale vieții, la care principiul lui Arhimede este util. Un subiect este cântărit atât în aer, cât și într-un fluid de densitate cunoscută (apa fiind evident o alegere utilă). Dacă un obiect cu o masă „terestră” de 60 kg (W = 588 N) deplasează 50 L de apă când este scufundat pentru cântărire, densitatea acestuia trebuie să fie de 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.
Dacă, în acest exemplu, ați dori să mențineți acest obiect mai dens decât apa suspendat în loc prin aplicarea unei forțe ascendente în plus față de forța flotantă, care ar fi magnitudinea acestei forțe? Pur și simplu calculați diferența dintre greutatea apei deplasate și greutatea obiectului: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s2) = 98 N.
- În acest scenariu, 1/6 din volumul obiectului ar ieși deasupra apei, deoarece apa este doar 5 / 6ths la fel de densă ca obiectul (1 g / mL vs. 1,2 g / ml).
Densitatea compusă a solidelor
Uneori vi se prezintă un obiect care conține mai mult de un tip de material, dar spre deosebire de exemplul corpului uman, conține aceste materiale într-un mod uniform distribuit. Adică, dacă ați lua un eșantion mic din material, acesta ar avea același raport dintre materialul A și materialul B ca întregul obiect.
O situație în care se produce acest lucru este în ingineria structurală, în care grinzile și alte elemente de susținere sunt adesea realizate din două tipuri de material: matrice (M) și fibră (F). Dacă aveți un eșantion din acest fascicul format dintr-un raport de volum cunoscut al acestor două elemente și cunoașteți densitățile individuale ale acestora, puteți calcula densitatea compozitului (ρC) folosind următoarea ecuație:
\ rho_C = \ rho_FV_F + \ rho_MV_M
Unde ρF și ρM și VF și Vm sunt densitățile și fracțiunile de volum (adică procentul fasciculului constând din fibră sau matrice, convertite într-un număr zecimal) ale fiecărui tip de material.
Exemplu:O probă de 1.000 mL dintr-un obiect misterios conține 70% material stâncos cu o densitate de 5 g / mL și 30% material geliform cu o densitate de 2 g / mL. Care este densitatea obiectului (compozit)?
\ rho_C = \ rho_RV_R + \ rho_GV_G = (5) (0,70) + (2) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 \ text {g / mL}