วิธีการคำนวณความหนาแน่นของคอมโพสิต

มวลและความหนาแน่น ควบคู่ไปกับปริมาตร แนวคิดที่เชื่อมโยงปริมาณทั้งสองนี้ ทั้งทางร่างกายและทางคณิตศาสตร์ เป็นแนวคิดพื้นฐานสองประการในวิทยาศาสตร์กายภาพ อย่างไรก็ตาม เรื่องนี้ และแม้ว่ามวล ความหนาแน่น ปริมาตร และน้ำหนักจะเกี่ยวข้องกับการคำนวณนับไม่ถ้วนทั่วโลกทุกวัน แต่หลายคนมักสับสนกับปริมาณเหล่านี้

​ความหนาแน่นซึ่งทั้งในแง่กายภาพและในชีวิตประจำวันหมายถึงความเข้มข้นของบางสิ่งภายในพื้นที่ที่กำหนด ซึ่งมักจะหมายถึง "ความหนาแน่นของมวล" ดังนั้นจึงหมายถึงปริมาณสารต่อหน่วยปริมาตร. ความเข้าใจผิดมากมายเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นและน้ำหนัก สิ่งเหล่านี้เข้าใจได้ง่ายและเข้าใจได้ง่ายที่สุดด้วยบทวิจารณ์เช่นนี้

นอกจากนี้ แนวคิดของความหนาแน่นของคอมโพสิตเป็นสิ่งสำคัญ วัสดุจำนวนมากโดยธรรมชาติประกอบด้วยหรือผลิตจากส่วนผสมหรือองค์ประกอบหรือโมเลกุลโครงสร้าง ซึ่งแต่ละอย่างมีความหนาแน่นของตัวเอง หากคุณทราบอัตราส่วนของวัสดุแต่ละชนิดต่อกันในรายการที่น่าสนใจและสามารถค้นหาหรือ มิฉะนั้น หาความหนาแน่นของแต่ละบุคคล จากนั้นคุณสามารถกำหนดความหนาแน่นคอมโพสิตของวัสดุเป็น ทั้งหมด.

ความหนาแน่นถูกกำหนดให้เป็นตัวอักษรกรีก rho (ρ) และเป็นเพียงมวลของบางสิ่งหารด้วยปริมาตรทั้งหมด:

หน่วย SI (มาตรฐานสากล) คือ kg/m³เนื่องจากกิโลกรัมและเมตรเป็นหน่วย SI พื้นฐานสำหรับมวลและการกระจัด ("ระยะทาง") ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ในหลายสถานการณ์ในชีวิตจริง กรัมต่อมิลลิลิตร หรือ g/mL เป็นหน่วยที่สะดวกกว่า หนึ่งมล. = 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร (ซีซี)

รูปร่างของวัตถุที่มีปริมาตรและมวลที่กำหนดจะไม่มีผลต่อความหนาแน่นของวัตถุ แม้ว่าสิ่งนี้จะส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของวัตถุก็ตาม ในทำนองเดียวกัน วัตถุสองชิ้นที่มีรูปร่างเหมือนกัน (และด้วยเหตุนี้ปริมาตร) และมวลจะมีความหนาแน่นเท่ากันเสมอโดยไม่คำนึงถึงการกระจายมวลนั้น

ทรงกลมทึบเอ็มและรัศมีRโดยมวลของมันแผ่กระจายอย่างเท่าเทียมกันทั่วทั้งทรงกลมและเป็นทรงกลมแข็งของมวลเอ็มและรัศมีRด้วยมวลของมันที่เข้มข้นเกือบทั้งหมดใน "เปลือก" ชั้นนอกบาง ๆ มีความหนาแน่นเท่ากัน

ความหนาแน่นของน้ำ (H₂O) ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศถูกกำหนดเป็น 1 g/mL (หรือเทียบเท่า 1 กก./L)

ในสมัยกรีกโบราณ อาร์คิมิดีสได้พิสูจน์อย่างแยบยลว่าเมื่อวัตถุจมอยู่ในน้ำ (หรือสิ่งใดๆ ของไหล) แรงที่มันสัมผัสจะเท่ากับมวลของน้ำที่เคลื่อนตัวคูณแรงโน้มถ่วง (กล่าวคือ น้ำหนักของ น้ำ). สิ่งนี้นำไปสู่นิพจน์ทางคณิตศาสตร์

กล่าวอีกนัยหนึ่ง นี่หมายความว่าความแตกต่างระหว่างมวลที่วัดได้ของวัตถุกับมวลที่ปรากฏเมื่อจมอยู่ใต้น้ำ หารด้วยความหนาแน่นของของไหล ให้ปริมาตรของวัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำ ปริมาตรนี้มองเห็นได้ง่ายเมื่อวัตถุเป็นวัตถุที่มีรูปร่างสม่ำเสมอ เช่น ทรงกลม แต่สมการนี้มีประโยชน์สำหรับการคำนวณปริมาตรของวัตถุที่มีรูปร่างผิดปกติ

AL คือ 1,000 cc = 1,000 มล. ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงใกล้พื้นผิวโลกเท่ากับg= 9.80 ม./วินาที².

เพราะ 1 ลิตร = 1,000 ซีซี = (10 ซม. × 10 ซม. × 10 ซม.) = (0.1 ม. × 0.1 ม. × 0.1 ม.)= 10^-3 ม³, มี 1,000 ลิตรต่อลูกบาศก์เมตร ซึ่งหมายความว่าภาชนะรูปทรงลูกบาศก์ไร้มวล 1 เมตรในแต่ละด้านสามารถบรรจุน้ำได้ 1,000 กิโลกรัม = 2,204 ปอนด์หรือเกินหนึ่งตัน จำไว้ว่าหนึ่งเมตรมีค่าเพียงสามและสี่ฟุตเท่านั้น น้ำอาจ "ข้น" กว่าที่คิด!

วัตถุส่วนใหญ่ในโลกธรรมชาติมีมวลกระจายไม่เท่ากันในทุกพื้นที่ที่พวกมันครอบครอง ร่างกายของคุณเป็นตัวอย่าง คุณสามารถกำหนดมวลของคุณได้อย่างง่ายดายโดยใช้มาตราส่วนประจำวัน และถ้าคุณมีอุปกรณ์ที่เหมาะสม คุณ สามารถกำหนดปริมาตรของร่างกายได้ด้วยการแช่ตัวในอ่างน้ำและใช้อาร์คิมิดีส หลักการ

แต่คุณรู้ไหมว่าบางส่วนมีความหนาแน่นมากกว่าส่วนอื่นๆ (กระดูกเทียบกับ อ้วน เป็นต้น) จึงมีรูปแบบท้องถิ่นในความหนาแน่น

วัตถุบางอย่างอาจมีองค์ประกอบที่เหมือนกัน ดังนั้นความหนาแน่นสม่ำเสมอแม้จะประกอบด้วยธาตุหรือสารประกอบตั้งแต่สองอย่างขึ้นไป สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติในรูปแบบของโพลีเมอร์บางชนิด แต่น่าจะเป็นผลมาจากกระบวนการผลิตเชิงกลยุทธ์ เช่น เฟรมจักรยานคาร์บอนไฟเบอร์

ซึ่งหมายความว่าไม่เหมือนกับกรณีของร่างกายมนุษย์ คุณจะได้ตัวอย่างวัสดุที่มีความหนาแน่นเท่ากัน ไม่ว่าคุณจะสกัดวัตถุจากที่ใดหรือมีขนาดเล็กเพียงใด ในแง่ของสูตรมันคือ "ผสมผสานอย่างสมบูรณ์"

ความหนาแน่นมวลอย่างง่ายของวัสดุคอมโพสิตหรือวัสดุที่ทำจากวัสดุที่แตกต่างกันตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปที่มีความหนาแน่นเฉพาะที่ทราบ สามารถทำได้โดยใช้กระบวนการง่ายๆ

1. ค้นหาความหนาแน่นของสารประกอบ (หรือองค์ประกอบ) ทั้งหมดในของผสม สิ่งเหล่านี้สามารถพบได้ในตารางออนไลน์มากมาย ดูทรัพยากรสำหรับตัวอย่าง
2. แปลงค่าเปอร์เซ็นไทล์ของแต่ละองค์ประกอบหรือส่วนผสมให้เป็นเลขฐานสิบ (ตัวเลขระหว่าง 0 ถึง 1) โดยหารด้วย 100
3. คูณทศนิยมแต่ละตัวด้วยความหนาแน่นของสารประกอบหรือธาตุที่สอดคล้องกัน
4. รวมผลิตภัณฑ์เข้าด้วยกันตั้งแต่ขั้นตอนที่ 3 ซึ่งจะเป็นความหนาแน่นของส่วนผสมในหน่วยเดียวกันที่เลือกไว้เมื่อเริ่มหรือเมื่อเกิดปัญหา

ตัวอย่างเช่น สมมติว่าคุณได้รับของเหลว 100 มล. ซึ่งเป็นน้ำ 40 เปอร์เซ็นต์ ปรอท 30 เปอร์เซ็นต์ และน้ำมันเบนซิน 30 เปอร์เซ็นต์ ความหนาแน่นของส่วนผสมคืออะไร?

คุณรู้หรือไม่ว่าสำหรับน้ำ ρ = 1.0 g/mL จากตารางพบว่า ρ = 13.5 g/mL สำหรับปรอท และ ρ = 0.66 g/mL สำหรับน้ำมันเบนซิน (นี่เป็นการปรุงที่เป็นพิษมากสำหรับบันทึก) ตามขั้นตอนข้างต้น:

การมีส่วนร่วมของปรอทที่มีความหนาแน่นสูงช่วยเพิ่มความหนาแน่นโดยรวมของส่วนผสมได้ดีกว่าน้ำหรือน้ำมันเบนซิน

ในบางกรณี ตรงกันข้ามกับสถานการณ์ก่อนหน้านี้ที่ต้องการความหนาแน่นที่แท้จริงเท่านั้น กฎของส่วนผสมสำหรับคอมโพสิตอนุภาคหมายถึงสิ่งที่แตกต่างออกไป เป็นข้อกังวลทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานโดยรวมต่อความเค้นของโครงสร้างเชิงเส้น เช่น ลำแสงกับความต้านทานของตัวมันเองไฟเบอร์และเมทริกซ์องค์ประกอบ เนื่องจากวัตถุดังกล่าวมักจะได้รับการออกแบบทางกลยุทธ์เพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดการรับน้ำหนักบางประการ

นี้มักจะแสดงในแง่ของพารามิเตอร์ที่เรียกว่าโมดูลัสยืดหยุ่นอี​(เรียกอีกอย่างว่าโมดูลัสของ Youngหรือโมดูลัสความยืดหยุ่น). การคำนวณโมดูลัสยืดหยุ่นของวัสดุคอมโพสิตนั้นค่อนข้างง่ายจากมุมมองเกี่ยวกับพีชคณิต อันดับแรก ค้นหาค่าแต่ละค่าสำหรับอีของในตารางเช่นหนึ่งในทรัพยากร ด้วยปริมาณวีของแต่ละองค์ประกอบในตัวอย่างที่เลือกที่รู้จัก ใช้ความสัมพันธ์

ที่ไหนอี_คคือ โมดูลัสของสารผสมและตัวห้อยFและเอ็มอ้างถึงส่วนประกอบไฟเบอร์และเมทริกซ์ตามลำดับ

• ความสัมพันธ์นี้ยังสามารถแสดงเป็น (วี_เอ็ม +วี​_​F​ ) = 1 หรือวี​_{​เอ็ม​} = (1 - ​วี_F​ ).