Како одредити густину чврстих материјала

Кад видите или чујете речгустина,ако вам је термин уопште познат, највероватније вам у памет призива слике „гужве“: закрчене градске улице, рецимо, или необична дебљина дрвећа у делу парка у вашем комшилук.

У суштини, на то се односи густина: концентрација нечега, са нагласком не на укупну количину било чега на сцени, већ на количину распоређене на расположиви простор.

Густина је критичан концепт у свету физичких наука. Нуди начин повезивања основногматерија -ствари свакодневног живота које се обично (али не увек) могу видети и осетити или бар некако ухватити у мерењима у лабораторијском окружењу - до основног простора, самог оквира који користимо за навигацију кроз света. Различите врсте материје на Земљи могу имати врло различиту густину, чак и унутар царства саме чврсте материје.

Мерење густине чврстих супстанци врши се методама које се разликују од оних које се користе за испитивање густина течности и гасова. Најтачнији начин мерења густине често зависи од експерименталне ситуације и од тога да ли је ваш узорак укључује само једну врсту материје (материјала) са познатим физичким и хемијским својствима или вишеструку врсте.

У физици,густина узорка материјала је само укупна маса узорка подељена његовом запремином, без обзира на то како је материја у узорку распоређена (проблем који утиче на механичка својства дотичне чврсте супстанце).

Пример нечега што има предвидљиву густину унутар датог опсега, али такође има и веома различите нивое густина је људско тело које се састоји од мање или више фиксног односа воде, костију и других врста ткива. Густина се изражава грчким словом рхо:

Често се бркају са густином и масомтежина, мада из можда различитих разлога. Тежина је једноставно сила која настаје услед убрзања гравитације која делује на материју или масу:

На Земљи убрзање услед гравитације има вредност 9,8 м / с². А.мисаод 10 кг тако има атежина(10 кг) (9,8 м / с²) = 98 Њутна (Н).

Сама тежина се такође меша са густином, из једноставног разлога што ће дати два предмета исте величине, у ствари онај веће густине имати више тежине. Ово је основа за старо трик питање: "Шта је теже, пола килограма перја или пола килограма олова?" Фунда је фунта без обзира шта, али овде је кључно да ће килограм перја заузети много више простора него килограм олова због олова који је далеко већи густина.

Термин физике уско повезан са густином јеспецифична гравитација(СГ). Ово је само густина датог материјала подељена са густином воде. Густина воде дефинисана је тачно 1 г / мЛ (или еквивалентно 1 кг / Л) при нормалној собној температури, 25 ° Ц. То је зато што је сама дефиниција литра у јединицама СИ (међународни систем, или „метрички“) количина воде која има масу од 1 кг.

Изгледа да би ово на површини чинило СГ прилично тривијалним податком: Зашто делити са 1? Заправо постоје два разлога. Један је да густина воде и других материјала мало варира у зависности од температуре, чак и унутар опсега собне температуре, па када су потребна прецизна мерења, ова варијација мора бити узета у обзир јер је вредност ρ температура зависни.

Такође, док густина има јединице г / мл или слично, СГ је без јединице, јер је то само густина подељена густином. Чињеница да је ова величина само константа олакшава неке прорачуне који укључују густину.

Можда је највећа практична примена густине чврстих материјалаАрхимедов принцип, коју је пре миленијума открио истоимени грчки научник. Овај принцип тврди да, када се чврсти предмет стави у течност, он је подложан мрежи према горесила потискаједнакатежинаизмештене течности.

Ова сила је иста без обзира на њен утицај на објекат, који би могао бити да га потисне према површини (ако је густина предмета мања од течности), дозволите му да савршено плута на месту (ако је густина предмета тачно једнака густини течности) или да му дозволи да тоне (ако је густина предмета већа од густине предмета) течност).

Симболично, овај принцип је изражен каоФ_Б. = В_ф,гдеФ​_Б. је полетна сила иВ​_ф је тежина измештене течности.

Од различитих метода које се користе за одређивање густине чврстог материјала,хидростатичко вагањеје пожељнији јер је најтачнији, ако не и најпогоднији. Већина чврстих материјала од интереса нису у облику уредних геометријских облика са лако израчунавим запреминама, што захтева индиректно одређивање запремине.

Ово је један од многих слојева живота који Архимедов принцип добро дође. Субјект се мери и у ваздуху и у течности познате густине (вода је очигледно користан избор). Ако објекат масе „копна” од 60 кг (В = 588 Н) истисне 50 Л воде када је уроњен за вагање, његова густина мора бити 60 кг / 50 Л = 1,2 кг / Л.

Ако сте, у овом примеру, желели да овај гушћи од воде објекат остане суспендован применом силе узлазне снаге уз узлазну силу, колика би била величина ове силе? Ви само израчунавате разлику између тежине истиснуте воде и тежине предмета: 588 Н - (50 кг) (9,8 м / с²) = 98 Н.

• У овом сценарију, 1/6 запремине предмета вирило би изнад воде, јер је вода густа само 5 / 6тх предмета (1 г / мл вс. 1,2 г / мл).

Понекад вам се представи предмет који садржи више врста материјала, али за разлику од примера људског тела, садржи те материјале на равномерно распоређен начин. Односно, ако бисте узели мали узорак материјала, он би имао исти однос материјала А и материјала Б као и цео предмет.

Једна од ситуација у којој се то догађа је грађевинско инжењерство, где су греде и други носећи елементи често израђени од две врсте материјала: матрице (М) и влакна (Ф). Ако имате узорак ове греде који се састоји од познатог запреминског односа ова два елемента и знате њихове појединачне густине, можете израчунати густину композита (ρ_Ц.) користећи следећу једначину:

Где је ρ_Ф и ρ_М. и В._Ф и Вм су густине и запремински удели (тј. проценат снопа који се састоји од влакана или матрице, претворен у децимални број) сваке врсте материјала.

​Пример:Узорак мистериозног објекта од 1000 мл садржи 70 процената камених материјала густине 5 г / мл и 30 посто геластих материјала густине 2 г / мл. Колика је густина предмета (композита)?