Ako určiť hustotu pevných materiálov

Keď vidíte alebo počujete slovohustota,ak tento výraz vôbec poznáte, s najväčšou pravdepodobnosťou vám vyvolá predstavy „preplnenosti“: povedzme zapchaté mestské ulice alebo neobvyklá hrúbka stromov v časti parku vo vašom susedstvo.

A v podstate to je to, o čom hovorí hustota: koncentrácia niečoho, s dôrazom nie na celkové množstvo čohokoľvek na scéne, ale na to, koľko toho bolo distribuované do dostupného priestoru.

Hustota je kritickým pojmom vo svete prírodných vied. Ponúka spôsob, ako spojiť základnézáležitosť -veci každodenného života, ktoré možno zvyčajne (ale nie vždy) vidieť a cítiť alebo aspoň nejako zachytiť pri meraniach v laboratórnom prostredí - do základného priestoru, samotného rámca, ktorý používame na navigáciu v svet. Rôzne druhy hmoty na Zemi môžu mať veľmi rozdielne hustoty, a to aj v samotnej oblasti pevnej hmoty.

Meranie hustoty tuhých látok sa vykonáva pomocou metód odlišných od tých, ktoré sa používajú na stanovenie hustoty kvapalín a plynov. Najpresnejší spôsob merania hustoty často závisí od experimentálnej situácie a od toho, či je vaša vzorka obsahuje iba jeden druh látky (materiálu) so známymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami alebo viacnásobný typy.

Vo fyzikehustota vzorky materiálu je len celková hmotnosť vzorky vydelená jej objemom, bez ohľadu na to, ako je látka vo vzorke distribuovaná (obava, ktorá ovplyvňuje mechanické vlastnosti predmetnej pevnej látky).

Príklad niečoho, čo má predvídateľnú hustotu v danom rozmedzí, ale má tiež veľmi rozdielne úrovne hustota je ľudské telo, ktoré je tvorené viac alebo menej fixným pomerom vody, kostí a iných druhov tkanivo. Hustota sa vyjadruje pomocou gréckeho písmena rho:

Hustota a hmotnosť sú často zamieňanéváha, aj keď z možno iných dôvodov. Hmotnosť je jednoducho sila vyplývajúca z gravitačného zrýchlenia pôsobiaceho na hmotu alebo hmotu:

Na Zemi má gravitačné zrýchlenie hodnotu 9,8 m / s². Aomša10 kg má teda aváhaz (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newtonov (N).

Samotná hmotnosť je tiež zamieňaná s hustotou, a to z jednoduchého dôvodu, že vzhľadom na dva objekty rovnakej veľkosti bude ten s vyššou hustotou v skutočnosti vážiť viac. To je základ pre starú trikovú otázku: „Čo váži viac, kilogram peria alebo kilogram olova?“ Libra je libra bez ohľadu na to čo, ale kľúčové je, že libra peria bude zaberať oveľa viac miesta ako libra olova, pretože olovo je oveľa väčšie hustota.

Fyzikálny termín úzko súvisiaci s hustotou ješpecifická hmotnosť(SG). To je len hustota daného materiálu vydelená hustotou vody. Hustota vody je definovaná presne 1 g / ml (alebo ekvivalentne 1 kg / l) pri normálnej izbovej teplote, 25 ° C. Je to tak preto, lebo samotná definícia litra v jednotkách SI (medzinárodný systém alebo „metrické“) predstavuje množstvo vody, ktorá má hmotnosť 1 kg.

Naoko by to teda vyzeralo, že z SG urobí dosť triviálnu informáciu: Prečo deliť 1? V skutočnosti existujú dva dôvody. Jedným z nich je, že hustota vody a iných materiálov sa mierne mení s teplotou aj v rozmedzí teplôt miestnosti, takže ak sú potrebné presné merania, je potrebné zohľadniť túto odchýlku, pretože hodnotou ρ je teplota závislý.

Aj keď hustota má jednotky g / ml alebo podobne, SG je bez jednotiek, pretože ide iba o hustotu vydelenú hustotou. Skutočnosť, že táto veličina je iba konštantou, uľahčuje niektoré výpočty týkajúce sa hustoty.

Azda najväčšia praktická aplikácia hustoty pevných materiálov spočíva vArchimedov princíp, objavený pred tisícročiami rovnomenným gréckym učencom. Tento princíp tvrdí, že keď je pevný predmet umiestnený v tekutine, je predmetom sieťou smerom nahorvztlaková silarovná saváhavytlačenej tekutiny.

Táto sila je rovnaká bez ohľadu na jej vplyv na predmet, ktorým môže byť jeho zatlačenie smerom k povrchu (ak je hustota predmetu menšia ako hustota kvapaliny), dovoľte jej vznášať sa dokonale na danom mieste (ak je hustota objektu presne rovnaká ako hustota kvapaliny) alebo ho nechať klesnúť (ak je hustota objektu vyššia ako hustota objektu) tekutina).

Symbolicky je tento princíp vyjadrený akoF_B = Ž_f,kdeF​_B je vztlaková sila aŽ​_f je hmotnosť vytlačenej kvapaliny.

Z rôznych metód používaných na stanovenie hustoty tuhého materiálu,hydrostatické váženieje preferovaný, pretože je najpresnejší, ak nie najvýhodnejší. Väčšina pevných materiálov, ktoré nás zaujímajú, nemá formu elegantných geometrických tvarov s ľahko vypočítateľnými objemami, ktoré si vyžadujú nepriame určenie objemu.

Toto je jedna z mnohých oblastí života, ktorá sa hodí Archimedovmu princípu. Subjekt sa váži vo vzduchu aj v tekutine známej hustoty (voda je samozrejme užitočnou voľbou). Ak predmet s hmotnosťou „pevninou“ 60 kg (W = 588 N) vytlačí po ponorení na váženie 50 L vody, jeho hustota musí byť 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Ak by ste si v tomto príklade želali, aby bol tento predmet hustejšej vody zadržaný na mieste pomocou vztlakovej sily okrem vztlakovej sily, aká by bola veľkosť tejto sily? Vypočítate iba rozdiel medzi hmotnosťou vytlačenej vody a hmotnosťou objektu: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s)²) = 98 N.

• V tomto scenári by 1/6 objemu predmetu trčala nad vodou, pretože voda je len 5/6 s tak hustá ako predmet (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Niekedy sa vám zobrazí predmet, ktorý obsahuje viac ako jeden typ materiálu, ale na rozdiel od príkladu ľudského tela obsahuje tieto materiály rovnomerne rozloženým spôsobom. To znamená, že ak by ste odobrali malú vzorku materiálu, mal by rovnaký pomer materiálu A k materiálu B ako celý objekt.

Jedna situácia, kedy k tomu dôjde, je v pozemnom staviteľstve, kde sú nosníky a ďalšie nosné prvky často vyrobené z dvoch druhov materiálov: matrica (M) a vlákno (F). Ak máte vzorku tohto lúča tvorenú známym objemovým pomerom týchto dvoch prvkov a poznáte ich individuálne hustoty, môžete vypočítať hustotu zloženého materiálu (ρ_C.) pomocou nasledujúcej rovnice:

Kde ρ_F a ρ_M a V_F a Vm sú hustoty a objemové zlomky (tj. percento lúča pozostávajúceho z vlákna alebo matrice, prepočítané na desatinné číslo) každého typu materiálu.

​Príklad:Vzorka záhadného objektu s objemom 1 000 ml obsahuje 70 percent kamenného materiálu s hustotou 5 g / ml a 30 percent gélovitého materiálu s hustotou 2 g / ml. Aká je hustota objektu (zloženého)?