Hur man bestämmer densiteten hos fasta material

När du ser eller hör ordetdensitet,om du överhuvudtaget känner till begreppet kallar det dig troligen bilder av "trånghet": trånga stadsgator, säg, eller trädens ovanliga tjocklek i en del av en park i din grannskap.

Och i grund och botten är det vad densiteten hänvisar till: en koncentration av något, med betoning inte på den totala mängden någonting i scenen utan hur mycket som har distribuerats i det tillgängliga utrymmet.

Densitet är ett kritiskt begrepp i fysikvetenskapens värld. Det erbjuder ett sätt att relatera grundläggandemateria -de saker i vardagen som vanligtvis (men inte alltid) kan ses och kännas eller åtminstone på något sätt fångas i mätningar i laboratorieinställningar - till grundutrymmet, själva ramen vi använder för att navigera i värld. Olika typer av materier på jorden kan ha mycket olika densiteter, även inom fasta ämnen ensamma.

Densitetsmätningen av fasta ämnen utförs med användning av metoder som skiljer sig från de som används vid analys av densiteterna för vätskor och gaser. Det mest exakta sättet att mäta densitet beror ofta på den experimentella situationen och på om din provet innehåller bara en typ av materia (material) med kända fysikaliska och kemiska egenskaper eller flera typer.

Inom fysik,densiteten hos ett materialprov är bara den totala massan av provet dividerat med dess volym, oavsett hur ämnet i provet fördelas (en oro som påverkar de mekaniska egenskaperna hos det fasta ämnet i fråga).

Ett exempel på något som har en förutsägbar densitet inom ett givet intervall, men som också har mycket varierande nivåer av densitet genomgående, är den mänskliga kroppen, som består av ett mer eller mindre fast förhållande av vatten, ben och andra typer av vävnad. Densitet uttrycks med den grekiska bokstaven rho:

Täthet och massa förväxlas ofta medvikt, men av kanske olika skäl. Vikt är helt enkelt den kraft som följer av tyngdacceleration som verkar på materia eller massa:

På jorden har accelerationen på grund av tyngdkraften värdet 9,8 m / s². Amassapå 10 kg har således envikt(10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newton (N).

Själva vikten förväxlas också med densitet, av den enkla anledningen att med tanke på två objekt av samma storlek kommer den med högre densitet att väga mer. Detta är grunden för den gamla trickfrågan, "Vilken väger mer, ett pund fjädrar eller ett pund bly?" Ett pund är ett pund oavsett vad, men nyckeln här är att pund fjädrar kommer att ta upp mycket mer utrymme än ett pund bly på grund av bly är mycket större densitet.

En fysik term nära besläktad med densitet ärSpecifik gravitation(SG). Detta är bara densiteten för ett givet material dividerat med vattentätheten. Densiteten hos vatten definieras som exakt 1 g / ml (eller motsvarande 1 kg / l) vid normal rumstemperatur, 25 ° C. Detta beror på att själva definitionen av en liter i SI (internationella system eller "metriska") enheter är den mängd vatten som har en massa på 1 kg.

På ytan verkar detta då göra SG till en ganska trivial information: Varför dela med 1? Det finns faktiskt två skäl. Den ena är att densiteten hos vatten och andra material varierar något med temperaturen även inom rumstemperaturområdet. så när exakta mätningar behövs måste denna variation beaktas eftersom värdet på ρ är temperaturen beroende.

Även om densiteten har enheter på g / ml eller liknande, är SG också enhetslös, eftersom det bara är en densitet dividerad med en densitet. Det faktum att denna kvantitet bara är konstant gör vissa beräkningar med densitet enklare.

Kanske ligger den största praktiska tillämpningen av densiteten hos fasta material iArchimedes princip, upptäcktes för årtusenden sedan av en grekisk forskare med samma namn. Denna princip hävdar att när ett fast föremål placeras i en vätska är föremålet föremål för ett nät uppåtflytande kraftlika medviktav den förskjutna vätskan.

Denna kraft är densamma oavsett dess effekt på föremålet, vilket kan vara att trycka den mot ytan (om objektets densitet är mindre än vätskans), låt den att flyta perfekt på plats (om objektets densitet är exakt lika med vätskans) eller låta den sjunka (om objektets densitet är större än den för vätska).

Symboliskt uttrycks denna princip somF_B = W_f,varF​_B är den flytande kraften ochW​_f är vikten på den förskjutna vätskan.

Av de olika metoder som används för att bestämma densiteten hos ett fast material,hydrostatisk vägningär det föredragna eftersom det är det mest exakta, om inte det mest praktiska. De flesta fasta material av intresse är inte i form av snygga geometriska former med lätt beräknade volymer, vilket kräver en indirekt bestämning av volymen.

Detta är en av de många samhällsskikt som Archimedes princip kommer till nytta. Ett ämne vägs i både luft och i en vätska med känd densitet (vatten är uppenbarligen ett användbart val). Om ett föremål med en "land" -massa på 60 kg (W = 588 N) förskjuter 50 L vatten när det sänks ned för vägning, måste densiteten vara 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Om du i det här exemplet önskade att hålla detta tätare än vattenföremål hängande på plats genom att applicera en uppåtgående kraft utöver den flytande kraften, vad skulle storleken på denna kraft vara? Du beräknar bara skillnaden mellan vikten på det förskjutna vattnet och objektets vikt: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

• I det här scenariot skulle 1/6 av objektets volym sticka ut över vattnet, eftersom vattnet bara är 5/6: e så tätt som objektet (1 g / ml vs. 1,2 g / ml).

Ibland får du ett objekt som innehåller mer än en typ av material, men till skillnad från människokroppens exempel, innehåller dessa material på ett jämnt fördelat sätt. Det vill säga om du tog ett litet urval av materialet skulle det ha samma förhållande mellan material A och material B som hela objektet gör.

En situation där detta inträffar är inom strukturteknik, där balkar och andra stödelement ofta är gjorda av två typer av material: matris (M) och fiber (F). Om du har ett prov av denna stråle som består av ett känt volymförhållande mellan dessa två element och känner till deras individuella densiteter, kan du beräkna kompositens densitet (ρ_C) med följande ekvation:

Var ρ_F och ρ_M och V_F och Vm är densiteterna och volymfraktionerna (dvs procenten av strålen som består av fiber eller matris, omvandlad till ett decimaltal) för varje typ av material.

​Exempel:Ett prov på 1 000 ml av ett mysteriumobjekt innehåller 70 procent stenigt material med en densitet på 5 g / ml och 30 procent gelliknande material med en densitet på 2 g / ml. Hur stor är objektets densitet (komposit)?