เมื่อเห็นหรือได้ยินคำว่าความหนาแน่นหากคุณคุ้นเคยกับคำศัพท์นี้เลย มักจะเรียกภาพในใจของคุณว่า "ความแออัด": ถนนในเมืองที่คับคั่ง พูดหรือต้นไม้หนาผิดปกติในส่วนของสวนสาธารณะในของคุณ ย่าน.
และโดยพื้นฐานแล้ว นั่นคือสิ่งที่หมายถึงความหนาแน่น: ความเข้มข้นของบางสิ่ง โดยไม่ได้เน้นที่จำนวนรวมของสิ่งใดในฉาก แต่จะกระจายไปยังพื้นที่ว่างเท่าใด
ความหนาแน่นเป็นแนวคิดที่สำคัญในโลกของวิทยาศาสตร์กายภาพ เสนอวิธีเชื่อมโยงพื้นฐานเรื่อง -ชีวิตประจำวันที่มักจะมองเห็น (แต่ไม่เสมอไป) รู้สึกหรืออย่างน้อยก็ถูกจับได้ ในการวัดในห้องปฏิบัติการ – จนถึงพื้นที่พื้นฐาน เฟรมเวิร์กที่เราใช้ในการนำทาง โลก. สสารชนิดต่างๆ บนโลกสามารถมีความหนาแน่นต่างกันมาก แม้จะอยู่ในขอบเขตของสสารที่เป็นของแข็งเพียงอย่างเดียว
การวัดความหนาแน่นของของแข็งดำเนินการโดยใช้วิธีการที่แตกต่างจากที่ใช้ในการวิเคราะห์ความหนาแน่นของของเหลวและก๊าซ วิธีที่แม่นยำที่สุดในการวัดความหนาแน่นมักขึ้นอยู่กับสถานการณ์ในการทดลอง และขึ้นอยู่กับว่าคุณ ตัวอย่างประกอบด้วยสสาร (วัสดุ) เพียงประเภทเดียวที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ทราบหรือหลายตัว ประเภท
ความหนาแน่นคืออะไร?
ในวิชาฟิสิกส์
ความหนาแน่นของตัวอย่างวัสดุเป็นเพียงมวลรวมของตัวอย่างหารด้วยปริมาตรโดยไม่คำนึงถึงวิธีการกระจายสสารในตัวอย่าง (ข้อกังวลที่ส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของของแข็งที่เป็นปัญหา)ตัวอย่างของบางสิ่งที่มีความหนาแน่นที่คาดการณ์ได้ภายในช่วงที่กำหนด แต่ยังมีระดับที่แตกต่างกันอย่างมากของ ความหนาแน่นทั่วๆ ไป คือ ร่างกายมนุษย์ ซึ่งประกอบขึ้นจากอัตราส่วนน้ำ กระดูก และชนิดอื่นๆ คงที่ไม่มากก็น้อย เนื้อเยื่อ. ความหนาแน่นแสดงโดยใช้อักษรกรีก rho:
\rho=\frac{m}{V}
ความหนาแน่นและมวลมักสับสนกับน้ำหนักแม้ว่าจะด้วยเหตุผลที่แตกต่างกันก็ตาม น้ำหนักเป็นเพียงแรงที่เกิดจากความเร่งของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อสสารหรือมวล:
F=mg
บนโลก ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีค่า 9.8 m/s2. อามวล10 กก. จึงมี aน้ำหนักจาก (10 กก.)(9.8 ม./วินาที2) = 98 นิวตัน (N)
น้ำหนักเองยังสับสนกับความหนาแน่น ด้วยเหตุผลง่ายๆ ที่ทำให้วัตถุสองชิ้นที่มีขนาดเท่ากัน วัตถุที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะมีน้ำหนักมากกว่า นี่เป็นพื้นฐานสำหรับคำถามกลอุบายแบบเก่าที่ว่า "อันไหนหนักกว่ากัน ขนหนึ่งปอนด์หรือตะกั่วหนึ่งปอนด์" ปอนด์เป็นปอนด์ไม่ว่า อะไรนะ แต่สิ่งสำคัญในที่นี้คือปอนด์ของขนนกจะใช้พื้นที่มากกว่าตะกั่วปอนด์เพราะตะกั่วนั้นมากกว่ามาก ความหนาแน่น
ความหนาแน่นเทียบกับ แรงดึงดูดเฉพาะ
ศัพท์ฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความหนาแน่นคือแรงดึงดูดเฉพาะ(เอสจี). นี่เป็นเพียงความหนาแน่นของวัสดุที่กำหนดหารด้วยความหนาแน่นของน้ำ ความหนาแน่นของน้ำถูกกำหนดให้เท่ากับ 1 g/mL (หรือเทียบเท่า 1 กก./L) ที่อุณหภูมิห้องปกติ 25 °C เนื่องจากคำจำกัดความของลิตรในหน่วย SI (ระบบสากลหรือ "เมตริก") คือปริมาณน้ำที่มีมวล 1 กิโลกรัม
ถ้าดูจากผิวเผินแล้ว สิ่งนี้จะทำให้ SG เป็นข้อมูลที่ค่อนข้างเล็กน้อย: ทำไมจึงหารด้วย 1? ในความเป็นจริง มีสองเหตุผล หนึ่งคือความหนาแน่นของน้ำและวัสดุอื่นๆ จะแปรผันเล็กน้อยตามอุณหภูมิแม้อยู่ในช่วงอุณหภูมิห้อง ดังนั้นเมื่อต้องการการวัดที่แม่นยำ ต้องคำนึงถึงความแปรผันนี้เพราะค่าของ ρ คืออุณหภูมิ ขึ้นอยู่กับ
นอกจากนี้ ในขณะที่ความหนาแน่นมีหน่วยเป็น g/mL หรืออื่นๆ ที่คล้ายกัน SG ไม่มีหน่วย เนื่องจากเป็นเพียงความหนาแน่นหารด้วยความหนาแน่น ความจริงที่ว่าปริมาณนี้เป็นเพียงค่าคงที่ทำให้การคำนวณบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นง่ายขึ้น
หลักการของอาร์คิมิดีส
บางทีการประยุกต์ใช้ความหนาแน่นของวัสดุที่เป็นของแข็งมากที่สุดในทางปฏิบัติอาจอยู่ในหลักการของอาร์คิมิดีสค้นพบเมื่อพันปีที่แล้วโดยนักวิชาการชาวกรีกชื่อเดียวกัน หลักการนี้ยืนยันว่าเมื่อวางวัตถุที่เป็นของแข็งไว้ในของเหลว วัตถุนั้นจะถูกตาข่ายขึ้นไปข้างบนแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่
แรงนี้จะเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงผลกระทบต่อวัตถุ ซึ่งอาจเป็นการผลักไปยังพื้นผิว (หากความหนาแน่นของวัตถุน้อยกว่าของไหล) ให้อนุญาต ลอยได้อย่างสมบูรณ์ในตำแหน่ง (ถ้าความหนาแน่นของวัตถุเท่ากับของไหลพอดี) หรือปล่อยให้จม (ถ้าความหนาแน่นของวัตถุมากกว่าความหนาแน่นของ ของเหลว)
ในเชิงสัญลักษณ์ หลักการนี้แสดงเป็นFบี = Wฉ,ที่ไหนFบี เป็นแรงลอยตัวและWฉ คือ น้ําหนักของของไหลที่ถูกแทนที่
การวัดความหนาแน่นของของแข็ง
จากวิธีการต่างๆ ที่ใช้ในการกำหนดความหนาแน่นของวัสดุที่เป็นของแข็งการชั่งน้ำหนักอุทกสถิตเป็นที่ต้องการเพราะถูกต้องที่สุดถ้าไม่สะดวกที่สุด วัสดุที่เป็นของแข็งที่น่าสนใจส่วนใหญ่ไม่ได้อยู่ในรูปแบบของรูปทรงเรขาคณิตที่เรียบร้อยพร้อมปริมาตรที่คำนวณได้ง่าย ซึ่งต้องมีการกำหนดปริมาตรโดยอ้อม
นี่เป็นหนึ่งในวิถีชีวิตที่หลากหลายซึ่งหลักการของอาร์คิมิดีสมีประโยชน์ ชั่งน้ำหนักวัตถุทั้งในอากาศและของเหลวที่มีความหนาแน่นที่ทราบ (เห็นได้ชัดว่าน้ำเป็นตัวเลือกที่มีประโยชน์) หากวัตถุที่มีมวล "พื้นดิน" 60 กก. (W = 588 N) แทนที่น้ำ 50 ลิตรเมื่อนำไปแช่เพื่อชั่งน้ำหนัก ความหนาแน่นของวัตถุจะต้องเป็น 60 กก./50 ลิตร = 1.2 กก./ลิตร
ในตัวอย่างนี้ คุณต้องการให้วัตถุที่มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำนี้ลอยอยู่ในตำแหน่งโดยใช้แรงขึ้นนอกเหนือจากแรงลอยตัว แรงนี้จะมีขนาดเท่าใด คุณเพียงแค่คำนวณความแตกต่างระหว่างน้ำหนักของน้ำที่เคลื่อนย้ายและน้ำหนักของวัตถุ: 588 N – (50 kg)(9.8 m/s)2) = 98 น.
- ในสถานการณ์สมมตินี้ 1/6 ของปริมาตรของวัตถุจะยื่นออกมาเหนือน้ำ เนื่องจากน้ำมีความหนาแน่นเพียง 5/6 เท่าของวัตถุ (1 g/mL เทียบกับ 1.2 ก./มล.)
ความหนาแน่นคอมโพสิตของของแข็ง
บางครั้งคุณจะถูกนำเสนอด้วยวัตถุที่มีวัสดุมากกว่าหนึ่งประเภท แต่แตกต่างจากตัวอย่างของร่างกายมนุษย์ที่มีวัสดุเหล่านี้ในการกระจายอย่างสม่ำเสมอ นั่นคือ ถ้าคุณเอาตัวอย่างวัสดุเล็กๆ น้อยๆ วัสดุนั้นจะมีอัตราส่วนของวัสดุ A ต่อวัสดุ B เท่ากันกับวัตถุทั้งหมด
สถานการณ์หนึ่งที่สิ่งนี้เกิดขึ้นคืองานวิศวกรรมโครงสร้าง ซึ่งคานและองค์ประกอบรองรับอื่นๆ มักทำจากวัสดุสองประเภท: เมทริกซ์ (M) และไฟเบอร์ (F) หากคุณมีตัวอย่างของลำแสงนี้ประกอบขึ้นจากอัตราส่วนปริมาตรที่ทราบขององค์ประกอบทั้งสองนี้ และทราบความหนาแน่นของแต่ละองค์ประกอบ คุณสามารถคำนวณความหนาแน่นของคอมโพสิตได้ (ρค) โดยใช้สมการต่อไปนี้
\rho_C=\rho_FV_F+\rho_MV_M
ที่ไหน ρF และ ρเอ็ม และ VF และ Vm คือความหนาแน่นและเศษส่วนของปริมาตร (เช่น เปอร์เซ็นต์ของลำแสงที่ประกอบด้วยเส้นใยหรือเมทริกซ์ที่แปลงเป็นเลขฐานสิบ) ของวัสดุแต่ละประเภท
ตัวอย่าง:ตัวอย่างวัตถุลึกลับขนาด 1,000 มล. ประกอบด้วยวัสดุที่เป็นหิน 70 เปอร์เซ็นต์ที่มีความหนาแน่น 5 ก./มล. และวัสดุคล้ายเจล 30% ที่มีความหนาแน่น 2 ก./มล. ความหนาแน่นของวัตถุ (คอมโพสิต) คืออะไร?
\rho_C=\rho_RV_R+\rho_GV_G=(5)(0.70)+(2)(0.30)=3.5+0.6=4.1\text{ g/mL}