Hur man bestämmer specifik tyngdkraft

Att veta exakt vilken mängd av ett givet ämne som finns för att bedöma ämnets fysiska och kemiska egenskaper är centralt för vetenskapen. Kvantiteter betyder mycket - mycket! Du tänker antagligen "Okej, låt oss gå förbi de uppenbara grejerna" just nu, men tänk på frågan vad "belopp" betyder. Om någon frågade dighur mycket av er är där, vad skulle du berätta för henne?

De flesta av oss skulle förmodligen tolka denna fråga som "Hur mycket väger du?" eller möjligen "Hur lång är du?" Det finns dock många lika rimliga svar. Till exempel, hur mycket volym (säg i liter) upptar din kropp? Hur många enskilda atomer eller celler innehåller den?

Massa är ett sätt att hålla reda på "grejer" i universum, och det hänvisar till hur mycket materia som finns; detta är oberoende av volym, som helt enkelt beskriver mängder av tredimensionellt utrymme. Förhållandet mellan dessa två kvantiteter, kallad densitet, är naturligtvis av intresse, som en nära kusin kallasSpecifik gravitation. Specifik tyngdkraftsmätning ingår i fysikens verktygslåda, främst för att ta hänsyn till vattnets universella natur, som du snart lär dig.

Vid något tillfälle får man helt enkelt slut på ord för att beskriva ett koncept, och så är det med materien. Ett sätt att tänka på materia är att det är allt som tyngdkraften verkar på, och du kan teoretiskt hålla någon form av materia med händerna om dina händer var små nog, och se det med dina egna ögon om du hade övernaturligt kraftfull syn.

Materie består av en eller fleraelement, varav 92 förekommer i naturen. Element kan inte delas upp ytterligare i andra delar och fortfarande behålla sina egenskaper; den minsta kompletta enheten i ett element är enatom. En stor bit materia kan bestå av biljoner atomer av ett enda element, såsom ett pund rent guld. Ofta kombinerar olika element för att bilda föreningar, såsom väte (H) och syre (O), för att bilda vatten (H₂O).

Massa och vikt är lika men olika måttenheter. Massa beskriver helt enkelt mängden materia som är närvarande oberoende av externa faktorer, och SI (International System, eller metrisk) massaenhet är kilo (kg). I fysikproblem som involverar specifik tyngdkraft används gram (g), som är 1/1 000 kilo.

Vikten av ett objekt beror på gravitationen som dess massa utsätts för och har kraftenheter, som i SI-systemet är newton (N). På jorden ändras inte detta värde märkbart, så massa och vikt används ofta omväxlande. Men på månen, om tyngdkraften är mindre stark, skulle din massa vara densamma men din vikt (massamgånger tyngdkrafteng) skulle vara proportionellt svagare.

Volym avser en mängd tredimensionellt utrymme. Det är längdkuben, och SI-enheten är liter (L). En liter representeras av en kub på 10 centimeter eller cm (0,1 meter eller m) på en sida. Du är troligen bekant med detta volymval i allmänhet på grund av antalet 1-liters dryckesflaskor som gjorts.

I sig är "volym" bara ett matematiskt definierat utrymme, kanske väntar på att bli upptagen av materia, kanske inte väntar. När materia upptar det utrymmet kommer emellertid de resulterande effekterna att vara olika, när olika mängder materia placeras i samma mängd utrymme. Du vet detta intuitivt; när du bär runt en låda med jordnötter och luft är ditt jobb enklare än när samma låda innehöll en leverans av läroböcker ögonblick tidigare.

Förhållandet mellan massa och volym, annars känt som "delningsmassan i volym" kallas densitet. Men det unika förhållandet mellan vatten och allt som nämnts hittills har ännu inte beskrivits.

Densitet har inte sin egen enhet i fysik, inte kräver den verkligen en, med tanke på att den härrör från en grundläggande fysisk kvantitet (massa) och en lätt härledd från en annan (volymen har kubiserade enheter av längd). Det representeras normalt av den grekiska bokstaven rho, eller ρ:

Du kan se att densiteten har enheter kg / l i SI-systemet, men i fysikproblem används enheten g / ml ofta. (Eftersom det sistnämnda representerar det förra med både massa och volym dividerat med 1000, är ​​kg / l och g / ml faktiskt ekvivalenta.)

Du kommer att upptäcka att de flesta levande saker och många vanliga ämnen som deltar i biokemiska reaktioner har densiteter som liknar vattenens; detta följer av det faktum att de flesta levande saker till stor del eller i första hand består av H₂O.

Denna utforskning har slagit undan det faktum att vatten finns överallt för att inte skingra rädslan för en torka, utan eftersom fysiker och kemister har kommit på ett enkelt sätt att redogöra för små förändringar i densiteten av desammatyp av materia: Specifik vikt, ett måttlöst tal som bara är förhållandet mellan vätskans densitet och vatten - med en vridning.

Per definition har 1 ml oförfalskat vatten en massa av 1 g. En liter valdes ursprungligen för att vara den mängd vatten som hade en massa på exakt 1 kg. Problemet med detta är att, som mer moderna forskare lärde sig, att vattnets egenvikt faktiskt varierar med temperaturen även över små vardagliga intervall (mer om detta senare). Men medan vattentätheten nästan alltid helt enkelt avrundas till "exakt" 1 för vardagliga ändamål, är detta faktiskt inte en konstant.

• Observera att ordet "tyngdkraft" kan vara förvirrande, eftersom tyngdkraften i fysik har enheter för acceleration och är oberoende av denna diskussion.

Innan du dyker helt in i specifik tyngdkraft är en demonstration av densitetens betydelse och elegans i ordning - Archimedes princip. Enkelt säger detta att den uppåtverkande (flytande) kraften som utövas på en kropp nedsänkt i en vätska (vanligtvis vatten) är lika med vikten av vätskan som förskjutits av kroppen:F_B= w​_f.

Detta förklarar varför fartyg mestadels är ihåliga. Materialen som används för att göra dem är tätare än vatten, vilket innebär att om dessa material komprimeras skulle "skeppet" förskjuta sin egen volym i vatten och ha tillräcklig vikt för att få det att sjunka. Men om fartygets volym ökas genom att sätta ett ihåligt skrov vid basen, minskar den totala densiteten och fartyget förblir flytande.

Enheten används oftast för att bestämma vätskans specifika vikt när dess värde är okänt kallas aareometer. Dessa finns i ett antal former, men den grundläggande konstruktionen är ett rör vägt längst ner så att det kommer att sjunka till en viss punkt i testvätskan, som vilar i en graderad cylinder för att mäta volym.

Från att känna till vätskevolymen förskjuts det viktade röret och vikten av den nedsänkta delen, tillsammans med rumstemperaturen till bestämma den verkliga densiteten hos vatten under dessa förhållanden, densiteten och densiteten hos vätskan kan bestämmas från Archimedes ' princip.

En blick på diagrammet i resurserna avslöjar att den specifika vikten av vatten förblir mycket nära 1.000 i området 0 till 10 grader Celsius, men den sjunker sedan med en mer eller mindre konstant hastighet till cirka 0,960 när temperaturen närmar sig vattenets kokpunkt 100 C. När ämnen som läkemedel ofta mäts och bereds i mikrogram är det viktigt att kunna i praktiken redogöra för sådana till synes triviella skillnader.