Как рассчитать удельный вес

«Удельный вес», на первый взгляд, несколько вводит в заблуждение. Это не имеет ничего общего с гравитацией, которая, очевидно, является незаменимой концепцией в целом ряде физических проблем и приложений. Вместо этого он относится к количеству вещества (массы) определенного вещества в данном объеме, противопоставляется стандарту, пожалуй, самой жизненно важной и вездесущей субстанции, известной человечеству - вода.

Хотя удельный вес явно не использует значение силы тяжести Земли (которую часто называют силой, но на самом деле она имеет единицы измерения ускорение в физике - 9,8 метра в секунду в секунду у поверхности планеты, если быть точным), гравитация - косвенный фактор, потому что «тяжелые» вещи имеют более высокие значения удельного веса, чем «легкие». Но что вообще означают такие слова, как "тяжелый" и "легкий" в формальный смысл? Что ж, для этого и нужна физика.

Во-первых, удельный вес очень тесно связан с плотностью, и эти термины часто используются как синонимы. Как и в случае со многими концепциями в мире науки, это в целом приемлемо, но с учетом влияние, которое небольшие изменения значения и количества могут иметь на физический мир, это не пренебрежимо мало разница.

Плотность - это просто масса, разделенная на объем, точка. Если вам дано значение массы чего-либо и вы знаете, сколько места оно занимает, вы можете сразу же вычислить его плотность. (Даже здесь могут возникнуть неприятные проблемы. Этот расчет предполагает, что материал имеет однородный состав по всей своей массе и объему и, следовательно, его плотность одинакова. В противном случае все, что вы рассчитываете, - это средняя плотность, которая может соответствовать требованиям решаемой задачи, а может и не соответствовать.)

Конечно, когда вы закончите с расчетами, полезно иметь число, которое имеет смысл - такое, которое обычно используется. Итак, если у вас есть масса чего-либо в унциях, а объем в микролитрах, например, деление массы на объем для получения плотности оставляет вам очень неудобные единицы унций на микролитры. Вместо этого стремитесь к одной из общепринятых единиц, например г / мл или грамм на миллилитр (это то же самое, что и г / см³, или граммов на кубический сантиметр). Согласно первоначальному определению, 1 мл чистой воды имеет массу очень, очень близкую к 1 г, настолько близкую, что плотность воды почти всегда просто округляется до «точно» 1 для повседневных целей; Это делает г / мл особенно удобной единицей измерения и играет роль в удельном весе.

Плотность веществ редко бывает постоянной. Это особенно верно для жидкостей и газов (то есть текучих сред), которые более чувствительны к изменениям температуры, чем твердые тела. Жидкости и газы также допускают добавление дополнительной массы без изменения объема в отличие от твердых веществ.

Например, вода находится в жидком состоянии при температуре от 0 до 100 C. По мере того, как он нагревается от нижнего предела этого диапазона к верхнему пределу, он расширяется. То есть одно и то же количество массы потребляет все больше и больше объема с повышением температуры. В результате с повышением температуры вода становится менее плотной.

Другой способ изменения плотности жидкостей - добавление растворенных в жидкости частиц, называемых растворенными веществами. Например, пресная вода содержит очень мало соли (хлорида натрия), тогда как морская вода, как известно, содержит ее много. Когда соль добавляется в воду, ее масса увеличивается, а объем для всех практических целей - нет. Это означает, что морская вода более плотная, чем пресная, и что морская вода с особенно высокой соленостью (содержанием соли) является более плотной. более плотная, чем обычная морская вода или морская вода с относительно небольшим количеством соли, например, у устья крупного пресноводного река.

Смысл этих различий заключается в том, что, поскольку менее плотные материалы оказывают меньшее давление вниз чем более плотные материалы, вода часто образует слои из-за разницы в температуре, солености или некоторых комбинация. Например, вода, уже находящаяся у поверхности воды, будет нагрета солнцем сильнее, чем вода на глубине, делает эту поверхностную воду менее плотной и, следовательно, с большей вероятностью удерживается над слоями воды под.

Единицы удельного веса: нет то же, что и для плотности, то есть массы на единицу объема. Это связано с тем, что формула удельного веса немного отличается: это плотность исследуемого материала, деленная на плотность воды. Более формально уравнение удельного веса выглядит так:

(масса материала ÷ объем материала) ÷ (масса воды ÷ объем воды)

Если один и тот же контейнер используется для измерения как объема воды, так и объема вещества, то эти объемы можно рассматривать как одно и то же и вычитать из приведенного выше уравнения, оставляя формулу для удельного веса в виде:

(масса материала ÷ масса воды)

Поскольку плотность, разделенная на плотность, и масса, разделенная на массу, не имеют единиц измерения, удельный вес также не имеет единиц измерения. Это просто число.

Масса воды в контейнере с фиксированной водой будет меняться в зависимости от температуры воды, которая в большинстве случаев близка к температуре комнаты, в которой она находится, если она находится некоторое время. Напомним, что плотность воды падает с температурой, когда вода расширяется. В частности, вода при температуре 10 ° C имеет плотность 0,9997 г / мл, а вода при температуре 20 ° C имеет плотность 0,9982 г / мл. Вода при 30 ° C имеет плотность 0,9956 г / мл. Эти различия в десятые доли процента могут показаться незначительными на первый взгляд, но когда вы захотите определить плотность вещества с большой точностью, вам действительно придется прибегать к конкретным сила тяжести.

Удельный объем, обозначаемый v (маленькая буква «v», не путать со скоростью; контекст должен быть здесь полезен), это термин, применяемый к газам, и это объем газа, деленный на его массу, или В / м. Это просто величина, обратная плотности газа. Единицы измерения здесь обычно m³/ кг, а не мл / г, последнее - то, что вы могли ожидать, учитывая наиболее распространенную единицу плотности. Почему это могло быть? Что ж, рассмотрим природу газов: они очень диффузны, и собрать значительную их массу непросто, если только человек не способен работать с большими объемами.

Кроме того, понятие плавучести связано с плотностью. В предыдущем разделе было отмечено, что более плотные объекты оказывают большее давление вниз, чем менее плотные. В более общем смысле это означает, что объект, помещенный в воду, утонет, если его плотность больше, чем у воды, но будет плавать, если его плотность меньше, чем у воды. Как бы вы объяснили поведение кубиков льда, основываясь только на том, что вы здесь прочитали?

В любом случае выталкивающая сила - это сила жидкости, действующая на объект, погруженный в эту жидкость, которая противодействует силе тяжести, заставляющей объект тонуть. Чем плотнее жидкость, тем большую выталкивающую силу она будет оказывать на данный объект, что отражается в более низкой вероятности погружения этого объекта.