Hur man löser för specifik tyngdkraft

"Specifik tyngdkraft" är i ansiktet en något missvisande term. Det har lite att göra med tyngdkraften, vilket uppenbarligen är ett oumbärligt begrepp i en rad fysikproblem och applikationer. I stället avser det mängden materia (massa) av ett specifikt ämne inom en given volym, strider mot standarden för kanske det mest vitala och allestädes närvarande ämnet som är känt för mänskligheten - vatten.

Medan den specifika tyngdkraften inte uttryckligen använder värdet av jordens gravitation (som ofta kallas en kraft, men faktiskt har enheter av fysikacceleration - 9,8 meter per sekund per sekund på planetens yta, för att vara exakt), är tyngdkraften en indirekt hänsyn till att saker som är "tyngre" har högre specifik vikt än saker som är "lättare". Men vad betyder ord som "tung" och "lätt" även i den formella känslan? Tja, det är vad fysik är för.

För det första är den specifika tyngdkraften mycket nära relaterad till densitet, och termerna används ofta omväxlande. Som med många begrepp i vetenskapens värld är detta i allmänhet acceptabelt, men när man överväger påverkan som små förändringar i betydelse och kvantiteter kan ha på den fysiska världen, är det inte försumbar skillnad.

Densitet är helt enkelt massa dividerat med volym, punkt. Om du får ett värde för massan av något och du vet hur mycket utrymme det tar, kan du genast beräkna densiteten. (Även här kan nässlande problem uppstå. Denna beräkning förutsätter att materialet har enhetliga kompositioner genom hela dess massa och volym och att dess densitet därför är enhetlig. Annars är allt du beräknar en genomsnittlig densitet, vilket kan eller inte kan vara okej för kraven på problemet.)

Naturligtvis hjälper det att ha ett nummer som är vettigt när du är klar med din beräkning - ett som vanligtvis används. Så om du har massan av någonting i uns och volymen i mikroliter, säg, dividera massa efter volym för att få densitet ger dig mycket besvärliga enheter per mikroliter. Sikta istället på en av de vanliga enheterna, som g / ml, eller gram per milliliter (vilket är samma sak som g / cm³eller gram per kubikcentimeter). Enligt original definition har 1 ml rent vatten en massa mycket, mycket nära 1 g, så nära att vattendensiteten nästan alltid helt enkelt avrundas till "exakt" 1 för vardagliga ändamål; detta gör g / ml till en särskilt praktisk enhet, och den spelar in i specifik tyngdkraft.

Tätheten av ämnen är sällan konstant. Detta gäller särskilt vätskor och gaser (det vill säga vätskor), som är känsligare för temperaturförändringar än fasta ämnen. Vätskor och gaser rymmer också tillsats av extra massa utan volymförändring på ett sätt som fasta ämnen inte kan.

Till exempel finns vatten i flytande tillstånd mellan 0 grader Celsius och 100 C. När den värms upp från den nedre änden av detta intervall till den högre änden expanderar den. Det vill säga samma mängd massa förbrukar mer och mer volym med stigande temperatur. Som ett resultat blir vattnet mindre tätt med ökande temperatur.

Ett annat sätt på vilket vätskor genomgår densitetsförändringar är tillsatsen av partiklar som löser sig i vätskan, så kallade lösta ämnen. Till exempel innehåller sötvatten mycket lite salt (natriumklorid), medan havsvatten berömt innehåller mycket av det. När salt tillsätts till vatten ökar massan medan volymen för alla praktiska ändamål inte gör det. Detta innebär att havsvatten är tätare än färskvatten, och att havsvatten med särskilt hög salthalt (saltinnehåll) är tätare än typiskt havsvatten eller havsvatten med relativt lite salt, såsom det nära mynningen av ett större sötvatten flod.

Konsekvensen av dessa skillnader är att, eftersom mindre täta material utövar ett lägre tryck nedåt än mer täta material bildar vatten ofta lager på grundval av skillnader i temperatur, salthalt eller något kombination. Till exempel kommer vatten som redan finns nära vattenytan att värmas upp av solen mer än djupare vatten, vilket gör ytvattnet mindre tätt och därför ännu mer sannolikt att hålla sig ovanpå vattenskikten under.

Specifik tyngdkraftsenheter är inte samma som för densitet, som är massa per volymenhet. Det beror på att den specifika tyngdkraftsformeln är något annorlunda: Det är densiteten hos det material som studeras dividerat med densiteten hos vatten. Mer formellt är den specifika gravitationens ekvation:

(materialmassa ÷ volym material) ÷ ​​(vattenmassa ÷ volym vatten)

Om samma behållare används för att mäta både vattenvolymen och ämnets volym, då är dessa volymer kan behandlas som samma och tas med ur ovanstående ekvation, vilket lämnar formeln för specifik vikt som:

(materialmassa ÷ massa vatten)

Eftersom densitet dividerat med densitet och massa dividerat med massa båda är enhetslösa, är den specifika tyngdkraften också enhetslös. Det är helt enkelt ett nummer.

Massan av vatten i en behållare med fast vatten kommer att förändras med vattentemperaturen, vilket i de flesta fall ligger nära temperaturen i rummet det är i om det sitter en stund. Kom ihåg att vattentätheten sjunker med temperaturen när vattnet expanderar. Specifikt har vatten vid en temperatur av 10 ° C en densitet av 0,9997 g / ml, medan vatten vid 20 ° C har en densitet av 0,9982 g / ml. Vatten vid 30 ° C har en densitet av 0,9956 g / ml. Dessa skillnader på tiondels procent kan tyckas triviala på ytan, men när du vill bestämma densiteten hos ett ämne med stor precision, du måste verkligen tillgripa att använda specifika allvar.

Specifik volym, betecknad med v (liten "v" och inte förväxlas med hastighet; sammanhang bör vara till hjälp här), är en term som används för gaser, och det är gasens volym dividerat med dess massa, eller V / m. Detta är bara det ömsesidiga av gasens densitet. Enheterna här är vanligtvis m³/ kg snarare än ml / g, det senare är vad du kan förvänta dig med tanke på den vanligaste densitetsenheten. Varför kan det här vara? Tänk på gasernas karaktär: De är mycket diffusa, och det är inte lätt att samla in en betydande massa av det om man inte kan hantera större volymer.

Dessutom är flytkonceptet relaterat till densitet. I ett tidigare avsnitt noterades det att mer täta föremål utövar mer nedåtgående tryck än gör mindre täta föremål. Mer allmänt innebär detta att ett föremål som placeras i vatten sjunker om dess densitet är större än för vatten men flyter om densiteten är mindre än för vatten. Hur skulle du förklara isbitarnas beteende, endast baserat på vad du har läst här?

Under alla omständigheter är flytkraften en vätskas kraft på ett föremål nedsänkt i den vätskan som motverkar tyngdkraften och tvingar föremålet att sjunka. Ju mer tät en vätska är, desto större kommer den flytande kraften att utöva på ett visst objekt, vilket återspeglas i objektets lägre sannolikhet för att sjunka.