Как определить плотность твердых материалов

Когда вы видите или слышите словоплотность,если вы вообще знакомы с этим термином, он, скорее всего, вызывает у вас в голове образы "тесноты": забитые городскими улицами, скажем, или необычная густота деревьев в части парка в вашем район.

И, по сути, это то, что означает плотность: концентрация чего-либо, с упором не на общее количество чего-либо в сцене, а на то, сколько было распределено в доступном пространстве.

Плотность - важнейшее понятие в мире физических наук. Он предлагает способ связать основныеиметь значение -вещи повседневной жизни, которые обычно (но не всегда) можно увидеть и почувствовать или, по крайней мере, как-то запечатлеть в измерениях в лабораторных условиях - в базовое пространство, ту самую основу, которую мы используем для навигации по Мир. Различные виды материи на Земле могут иметь очень разную плотность, даже в пределах одной только твердой материи.

Измерение плотности твердых веществ выполняется с использованием методов, отличных от тех, которые используются при определении плотности жидкостей и газов. Наиболее точный способ измерения плотности часто зависит от экспериментальной ситуации и от того, насколько образец включает только один тип вещества (материала) с известными физико-химическими свойствами или несколько типы.

В физикеплотность образца материала - это просто общая масса образца, деленная на его объемнезависимо от того, как распределено вещество в образце (проблема, которая действительно влияет на механические свойства рассматриваемого твердого тела).

Пример чего-то, что имеет предсказуемую плотность в заданном диапазоне, но также имеет сильно различающиеся уровни Плотность во всем, это человеческое тело, которое состоит из более или менее фиксированного соотношения воды, костей и других типов ткань. Плотность выражается греческой буквой ро:

Плотность и массу часто путают смасса, хотя, возможно, по другим причинам. Вес - это просто сила, возникающая в результате ускорения свободного падения, действующего на материю или массу:

На Земле ускорение свободного падения составляет 9,8 м / с.². Амасса10 кг, таким образом, имеетмассаиз (10 кг) (9,8 м / с²) = 98 Ньютонов (Н).

Сам вес также путают с плотностью по той простой причине, что, учитывая два объекта одинакового размера, объект с более высокой плотностью на самом деле будет весить больше. Это основа для старого хитрого вопроса: «Что весит больше: фунт перьев или фунт свинца?» Фунт - это фунт, неважно что, но главное здесь то, что фунт перьев займет гораздо больше места, чем фунт свинца, потому что свинец гораздо больше плотность.

Физический термин, тесно связанный с плотностью, этоудельный вес(SG). Это просто плотность данного материала, деленная на плотность воды. Плотность воды определена как ровно 1 г / мл (или, что эквивалентно, 1 кг / л) при нормальной комнатной температуре, 25 ° C. Это связано с тем, что само определение литра в единицах СИ (международная система или «метрическая») - это количество воды, имеющее массу 1 кг.

На первый взгляд, это может сделать SG довольно тривиальным элементом информации: зачем делить на 1? На самом деле причин две. Во-первых, плотность воды и других материалов незначительно меняется в зависимости от температуры даже в пределах диапазона комнатной температуры. поэтому, когда необходимы точные измерения, это изменение необходимо учитывать, потому что значение ρ - это температура зависимый.

Кроме того, в то время как плотность измеряется в г / мл и т.п., SG не имеет единиц измерения, потому что это просто плотность, деленная на плотность. Тот факт, что эта величина является просто константой, упрощает некоторые вычисления, связанные с плотностью.

Возможно, наибольшее практическое применение плотности твердых материалов заключается вПринцип архимеда, обнаруженный тысячелетия назад одноименным греческим ученым. Этот принцип утверждает, что, когда твердый объект помещается в жидкость, объект подвергается воздействию сети, направленной вверх.подъемная силаравномассавытесненной жидкости.

Эта сила одинакова независимо от ее воздействия на объект, которое может толкать его к поверхности (если плотность объекта меньше плотности жидкости), позвольте ей идеально плавать на месте (если плотность объекта точно равна плотности жидкости) или позволить ему тонуть (если плотность объекта больше, чем плотность жидкость).

Символически этот принцип выражается какF_B = W_ж,гдеF​_B это подъемная сила иW​_ж - вес вытесненной жидкости.

Из различных методов, используемых для определения плотности твердого материала,гидростатическое взвешиваниеявляется предпочтительным, потому что он самый точный, если не самый удобный. Большинство представляющих интерес твердых материалов не имеют аккуратных геометрических форм с легко вычисляемыми объемами, требующими косвенного определения объема.

Это одна из многих сфер жизни, в которой пригодится принцип Архимеда. Объект взвешивается как в воздухе, так и в жидкости известной плотности (вода, очевидно, является полезным выбором). Если объект с «наземной» массой 60 кг (W = 588 Н) вытесняет 50 л воды при погружении для взвешивания, его плотность должна быть 60 кг / 50 л = 1,2 кг / л.

Если в этом примере вы хотите удерживать этот объект плотнее воды в подвешенном состоянии, применяя восходящую силу в дополнение к выталкивающей силе, какова будет величина этой силы? Вы просто рассчитываете разницу между весом вытесненной воды и весом объекта: 588 Н - (50 кг) (9,8 м / с²) = 98 Н.

• В этом сценарии 1/6 объема объекта будет выступать над водой, потому что вода всего на 5/6 от плотности объекта (1 г / мл по сравнению с 1,2 г / мл).

Иногда вам преподносят объект, который содержит более одного типа материала, но, в отличие от примера с человеческим телом, содержит эти материалы равномерно распределенным образом. То есть, если вы возьмете крошечный образец материала, он будет иметь такое же соотношение материала A и материала B, как и весь объект.

Одна из ситуаций, в которой это происходит, - это строительство, когда балки и другие опорные элементы часто изготавливаются из двух типов материалов: матрицы (M) и волокна (F). Если у вас есть образец этой балки, состоящей из известного отношения объемов этих двух элементов, и вы знаете их индивидуальную плотность, вы можете рассчитать плотность композита (ρ_C) по следующему уравнению:

Где ρ_F и ρ_M и V_F и Vm - плотности и объемные доли (т.е. процент пучка, состоящего из волокна или матрицы, преобразованный в десятичное число) каждого типа материала.

​Пример:Образец загадочного объекта объемом 1000 мл содержит 70 процентов каменистого материала с плотностью 5 г / мл и 30 процентов гелеобразного материала с плотностью 2 г / мл. Какая плотность объекта (композита)?