Kako določiti gostoto trdnih materialov

Ko besedo vidite ali slišitegostota,če ga sploh poznate, vam najverjetneje prikliče v spomin slike "natrpanosti": nabito polne mestne ulice, recimo, ali nenavadna debelina dreves v delu parka v vašem kraju soseska.

In v bistvu se na to nanaša gostota: koncentracija nečesa, s poudarkom ne na skupni količini ničesar na sceni, ampak na tem, koliko je bilo razporejenega v razpoložljivi prostor.

Gostota je kritičen koncept v svetu fizikalnih znanosti. Ponuja način, kako povezati osnovnozadeva -stvari vsakdanjega življenja, ki jih je mogoče (vendar ne vedno) videti in začutiti ali vsaj nekako ujeti pri meritvah v laboratorijskih nastavitvah - do osnovnega prostora, samega okvira, ki ga uporabljamo za krmarjenje po svetu. Različne vrste snovi na Zemlji imajo lahko zelo različne gostote, tudi samo na področju trdne snovi.

Merjenje gostote trdnih snovi se izvaja z drugačnimi metodami kot tiste, ki se uporabljajo za ugotavljanje gostote tekočin in plinov. Najbolj natančen način merjenja gostote je pogosto odvisen od eksperimentalne situacije in od tega, ali ste vzorec vključuje samo eno vrsto snovi (materiala) z znanimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi ali večkrat vrste.

V fizikigostota vzorca materiala je le skupna masa vzorca, deljena z njegovo prostornino, ne glede na to, kako je snov v vzorcu razporejena (skrb, ki vpliva na mehanske lastnosti zadevne trdne snovi).

Primer nečesa, kar ima predvidljivo gostoto znotraj določenega obsega, ima pa tudi zelo različne ravni gostota, je človeško telo, ki je sestavljeno iz bolj ali manj fiksnega razmerja vode, kosti in drugih vrst tkiva. Gostota je izražena z grško črko rho:

Gostoto in maso pogosto zamenjamo zutež, čeprav iz morda drugačnih razlogov. Teža je preprosto sila, ki je posledica pospeševanja gravitacije, ki deluje na snov ali maso:

Na Zemlji ima pospešek zaradi gravitacije vrednost 9,8 m / s². Amaso10 kg ima torej autež(10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newtonov (N).

Tudi sama teža je zamenjana z gostoto iz preprostega razloga, ker bo glede na dva predmeta enake velikosti tisti z večjo gostoto dejansko tehtal več. To je osnova za staro trik vprašanje: "Kateri tehta več, funt perja ali funt svinca?" Funt je funt ne glede na to kaj, ampak ključno pri tem je, da bo funt perja zavzel veliko več prostora kot funt svinca zaradi svinca, ki je veliko večji gostoto.

Izraz fizike, ki je tesno povezan z gostoto, jespecifična težnost(SG). To je le gostota danega materiala, deljena z gostoto vode. Gostota vode je natančno določena na 1 g / ml (ali enakovredno 1 kg / L) pri normalni sobni temperaturi, 25 ° C. To je zato, ker je že sama definicija litra v enotah SI (mednarodni sistem ali "metrika") količina vode, ki ima maso 1 kg.

Zdi se, da je na prvi pogled SG zaradi tega precej nepomemben podatek: Zakaj deliti z 1? Dejansko sta dva razloga. Eno je, da se gostota vode in drugih materialov nekoliko spreminja glede na temperaturo, tudi znotraj sobnih temperatur, torej, kadar so potrebne natančne meritve, je treba to spremembo upoštevati, ker je vrednost ρ temperatura odvisna.

Čeprav ima gostota enote g / ml ali podobno, je SG brez enot, ker je le gostota, deljena z gostoto. Dejstvo, da je ta količina zgolj konstanta, olajša nekatere izračune, ki vključujejo gostoto.

Morda je največja praktična uporaba gostote trdnih materialov vArhimedovo načelo, ki ga je pred tisočletji odkril istoimenski grški učenjak. To načelo trdi, da ko je trden predmet v tekočini, je predmet podrejen z mrežo navzgorživahna silaenakoutežiztisnjene tekočine.

Ta sila je enaka ne glede na njen učinek na predmet, ki bi ga lahko potisnil proti površini (če je gostota predmeta manjša od gostote tekočine), da popolnoma plava na svojem mestu (če je gostota predmeta natanko enaka gostoti tekočine) ali pustite, da se potopi (če je gostota predmeta večja od gostote predmeta tekočina).

Simbolično je to načelo izraženo kotF_B = W_f,kjeF​_B je vzgonska sila inW​_f je teža izpodrinjene tekočine.

Od različnih metod, ki se uporabljajo za določanje gostote trdnega materiala,hidrostatsko tehtanjeje najprimernejša, ker je najbolj natančna, če ne celo najbolj priročna. Večina trdnih materialov, ki nas zanimajo, niso v obliki gladkih geometrijskih oblik z enostavno izračunanimi prostorninami, kar zahteva posredno določanje prostornine.

To je eno izmed mnogih področij življenja, ki mu Arhimedovo načelo pride prav. Preiskovanec se stehta v zraku in tekočini z znano gostoto (voda je očitno koristna izbira). Če predmet s kopensko maso 60 kg (W = 588 N) iztisne 50 L vode, ko je potopljen za tehtanje, mora biti njegova gostota 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Če bi v tem primeru želeli obdržati ta objekt, ki je bolj gost kot voda, in poleg vzgonske sile uporabiti silo navzgor, kakšna bi bila velikost te sile? Izračunate samo razliko med težo izpodrinjene vode in težo predmeta: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• V tem primeru bi nad vodo štrlela 1/6 prostornine predmeta, ker je voda le 5 / 6th tako gosta kot predmet (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Včasih se vam predstavi predmet, ki vsebuje več kot eno vrsto materiala, vendar v nasprotju s primerom človeškega telesa vsebuje te materiale na enakomerno porazdeljen način. To pomeni, da če bi vzeli majhen vzorec materiala, bi imel enako razmerje med materialom A in materialom B kot celoten predmet.

V enem primeru se to zgodi v konstrukcijskem inženirstvu, kjer so nosilci in drugi nosilni elementi pogosto izdelani iz dveh vrst materiala: matrice (M) in vlaken (F). Če imate vzorec tega žarka sestavljen iz znanega volumskega razmerja teh dveh elementov in poznate njihove posamezne gostote, lahko izračunate gostoto kompozita (ρ_C) z uporabo naslednje enačbe:

Kjer je ρ_F in ρ_M in V_F in Vm so gostote in količinski deleži (tj. odstotek žarka, sestavljenega iz vlaken ali matrice, pretvorjenega v decimalno število) vsake vrste materiala.

​Primer:1.000-mililitrski vzorec skrivnostnega predmeta vsebuje 70 odstotkov kamnitih materialov z gostoto 5 g / ml in 30 odstotkov gelastih materialov z gostoto 2 g / ml. Kolikšna je gostota predmeta (kompozita)?