วิธีแก้ปัญหาสำหรับแรงโน้มถ่วงจำเพาะ

"แรงโน้มถ่วงที่เฉพาะเจาะจง" เป็นคำที่ค่อนข้างเข้าใจผิด ไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วง ซึ่งเห็นได้ชัดว่าเป็นแนวคิดที่ขาดไม่ได้ในปัญหาทางฟิสิกส์และการประยุกต์ใช้ต่างๆ แต่มันเกี่ยวข้องกับปริมาณของสสาร (มวล) ของสารเฉพาะภายในปริมาตรที่กำหนด ตั้งขัดกับมาตรฐานของสสารที่สำคัญที่สุดและแพร่หลายที่สุดที่มนุษย์รู้จัก – น้ำ.

ในขณะที่ความถ่วงจำเพาะไม่ได้ใช้ค่าความโน้มถ่วงของโลกอย่างชัดแจ้ง (ซึ่งมักเรียกกันว่าแรง แต่ที่จริงแล้วมีหน่วยของ ความเร่งในฟิสิกส์ – 9.8 เมตรต่อวินาทีต่อวินาทีที่พื้นผิวโลกตามจริงแล้ว) แรงโน้มถ่วงเป็นการพิจารณาทางอ้อมเพราะ สิ่งที่ "หนักกว่า" มีค่าแรงโน้มถ่วงจำเพาะสูงกว่าสิ่งที่ "เบากว่า" แต่คำว่า "หนัก" และ "เบา" ยังหมายถึงอะไรใน ความรู้สึกที่เป็นทางการ? นั่นคือสิ่งที่ฟิสิกส์มีไว้สำหรับ

ประการแรก ความถ่วงจำเพาะสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความหนาแน่น และคำเหล่านี้มักใช้สลับกันได้ เช่นเดียวกับแนวคิดมากมายในโลกของวิทยาศาสตร์ โดยทั่วไปสิ่งนี้จะยอมรับได้ แต่เมื่อพิจารณาถึง ผลกระทบที่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความหมายและปริมาณสามารถมีต่อโลกทางกายภาพได้ก็ไม่สำคัญ ความแตกต่าง

ความหนาแน่นเป็นเพียงมวลหารด้วยปริมาตร หยุดเต็ม หากคุณได้รับค่ามวลของบางสิ่ง และคุณรู้ว่ามันใช้พื้นที่เท่าใด คุณสามารถคำนวณความหนาแน่นของมันได้ทันที (แม้ที่นี่ ปัญหาบางอย่างอาจเกิดขึ้นได้ การคำนวณนี้อนุมานว่าวัสดุมีองค์ประกอบที่สม่ำเสมอตลอดมวลและปริมาตร และความหนาแน่นของวัสดุจึงสม่ำเสมอ มิฉะนั้น สิ่งที่คุณคำนวณคือความหนาแน่นเฉลี่ย ซึ่งอาจจะใช่หรือไม่ก็ได้สำหรับข้อกำหนดของปัญหาที่มีอยู่)

แน่นอนว่าการมีตัวเลขที่เหมาะสมเมื่อคุณคำนวณเสร็จแล้ว ถือเป็นตัวเลขที่ใช้กันทั่วไป ดังนั้นถ้าคุณมีมวลของบางอย่างเป็นออนซ์และมีปริมาตรเป็นไมโครลิตร สมมติว่าการหารมวลด้วยปริมาตรเพื่อให้ได้ความหนาแน่นจะทำให้คุณมีหน่วยออนซ์ต่อไมโครลิตรที่น่าอึดอัดใจ ให้เล็งไปที่หน่วยทั่วไปอย่าง g/ml หรือ กรัมต่อมิลลิลิตร (ซึ่งเท่ากับ g/cm)³หรือกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร) ตามคำจำกัดความเดิม น้ำบริสุทธิ์ 1 มล. มีมวลมาก ใกล้กับ 1 ก. ใกล้มากจนความหนาแน่นของน้ำมักจะถูกปัดเศษให้ "เท่ากัน" 1 เสมอสำหรับวัตถุประสงค์ในชีวิตประจำวัน สิ่งนี้ทำให้ g/ml เป็นหน่วยที่สะดวกอย่างยิ่ง และเข้ามามีบทบาทในความถ่วงจำเพาะ

ความหนาแน่นของสารไม่ค่อยคงที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับของเหลวและก๊าซ (ซึ่งก็คือของเหลว) ซึ่งไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมากกว่าของแข็ง ของเหลวและก๊าซยังรองรับการเพิ่มมวลพิเศษโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรในลักษณะที่ของแข็งไม่สามารถทำได้

ตัวอย่างเช่น น้ำมีอยู่ในสถานะของเหลวระหว่าง 0 องศาเซลเซียส ถึง 100 องศาเซลเซียส เมื่อมันอุ่นขึ้นจากด้านล่างสุดของช่วงนี้ไปจนถึงปลายที่สูงกว่า มันจะขยายออก นั่นคือปริมาณมวลเท่าเดิมใช้ปริมาตรมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เป็นผลให้น้ำมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

อีกวิธีหนึ่งที่ของเหลวได้รับการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นคือการเติมอนุภาคที่ละลายในของเหลวที่เรียกว่าตัวละลาย ตัวอย่างเช่น น้ำจืดมีเกลือน้อยมาก (โซเดียมคลอไรด์) ในขณะที่น้ำทะเลมีชื่อเสียงมาก เมื่อเติมเกลือลงในน้ำ มวลของเกลือจะเพิ่มขึ้นในขณะที่ปริมาณเกลือจะไม่เพิ่มขึ้นตามวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าน้ำทะเลมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำจืด และน้ำทะเลที่มีความเค็มสูงเป็นพิเศษ (ปริมาณเกลือ) คือ มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำทะเลทั่วไปหรือน้ำทะเลที่มีเกลือค่อนข้างน้อย เช่น ใกล้ปากน้ำจืดที่สำคัญ แม่น้ำ.

ความหมายของความแตกต่างเหล่านี้ก็คือ เนื่องจากวัสดุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะออกแรงกดลงในปริมาณที่น้อยลง มากกว่าวัสดุที่มีความหนาแน่นมากกว่า น้ำมักจะก่อตัวเป็นชั้นโดยพิจารณาจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ความเค็ม หรือบางส่วน การรวมกัน ตัวอย่างเช่น น้ำที่อยู่ใกล้ผิวน้ำอยู่แล้วจะได้รับความร้อนจากแสงแดดมากกว่าน้ำที่ลึกลงไป ทำให้น้ำผิวดินนั้นมีความหนาแน่นน้อยลงและมีแนวโน้มที่จะเกาะอยู่บนชั้นน้ำมากขึ้น ด้านล่าง

หน่วยความถ่วงจำเพาะคือ ไม่ เช่นเดียวกับความหนาแน่นซึ่งเป็นมวลต่อหน่วยปริมาตร เนื่องจากสูตรความถ่วงจำเพาะแตกต่างกันเล็กน้อย นั่นคือความหนาแน่นของวัสดุที่ศึกษาหารด้วยความหนาแน่นของน้ำ สมการความถ่วงจำเพาะอย่างเป็นทางการคือ:

(มวลของวัสดุ ÷ ปริมาตรของวัสดุ) ÷ (มวลของน้ำ ÷ ปริมาตรของน้ำ)

หากใช้ภาชนะเดียวกันเพื่อวัดทั้งปริมาตรของน้ำและปริมาตรของสาร ปริมาตรสามารถรักษาได้เหมือนกันและแยกตัวประกอบจากสมการข้างต้น โดยเหลือสูตรสำหรับความถ่วงจำเพาะ เช่น:

(มวลของวัสดุ ÷ มวลน้ำ)

เนื่องจากความหนาแน่นหารด้วยความหนาแน่นและมวลหารด้วยมวลทั้งสองแบบไม่มีหน่วย ความถ่วงจำเพาะจึงไม่มีหน่วยด้วย มันเป็นเพียงตัวเลข

มวลของน้ำในภาชนะที่มีน้ำคงที่จะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิของน้ำ ซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้วจะใกล้เคียงกับอุณหภูมิของห้องที่น้ำอยู่ในนั้นหากอยู่ชั่วขณะหนึ่ง จำได้ว่าความหนาแน่นของน้ำจะลดลงตามอุณหภูมิเมื่อน้ำขยายตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง น้ำที่อุณหภูมิ 10 C มีความหนาแน่น 0.9997 g/ml ในขณะที่น้ำที่ 20 C มีความหนาแน่น 0.9982 g/ml น้ำที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส มีความหนาแน่น 0.9956 ก./มล. ความแตกต่างในสิบเปอร์เซ็นต์อาจดูเล็กน้อยบนพื้นผิว แต่เมื่อคุณต้องการ กำหนดความหนาแน่นของสารได้อย่างแม่นยำมาก คุณต้องหันไปใช้เฉพาะเจาะจงจริงๆ แรงโน้มถ่วง

ปริมาณเฉพาะ แทนด้วย วี (ตัวเล็ก "v" และอย่าสับสนกับความเร็ว บริบทน่าจะช่วยได้) เป็นคำที่ใช้กับแก๊ส และมันคือปริมาตรของแก๊สหารด้วยมวลของมัน หรือ V/m นี่เป็นเพียงส่วนกลับของความหนาแน่นของก๊าซเท่านั้น หน่วยที่นี่มักจะเป็น m³/kg แทนที่จะเป็น ml/g สิ่งหลังคือสิ่งที่คุณอาจคาดหวังจากหน่วยความหนาแน่นที่พบบ่อยที่สุด ทำไมสิ่งนี้อาจเป็น? พิจารณาธรรมชาติของก๊าซ: พวกมันกระจายตัวมากและการรวบรวมมวลที่มีนัยสำคัญของก๊าซนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเว้นแต่จะมีการจัดการในปริมาณที่มากขึ้น

นอกจากนี้ แนวคิดเรื่องการลอยตัวยังสัมพันธ์กับความหนาแน่น ในส่วนที่แล้ว สังเกตว่าวัตถุที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะออกแรงกดที่ด้านล่างมากกว่าวัตถุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า โดยทั่วไปแล้ว นี่หมายความว่าวัตถุที่วางอยู่ในน้ำจะจมลงหากความหนาแน่นของมันมากกว่าน้ำ แต่จะลอยตัวหากความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ คุณจะอธิบายพฤติกรรมของก้อนน้ำแข็งอย่างไรโดยอิงจากสิ่งที่คุณอ่านที่นี่เท่านั้น

ไม่ว่าในกรณีใด แรงลอยตัวคือแรงของของไหลบนวัตถุที่แช่อยู่ในของไหลนั้นซึ่งขัดต่อแรงโน้มถ่วงที่กระตุ้นให้วัตถุจม ยิ่งของเหลวมีความหนาแน่นมากเท่าใด แรงลอยตัวที่มันจะกระทำต่อวัตถุที่กำหนดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งสะท้อนให้เห็นในโอกาสที่วัตถุนั้นจะจมต่ำกว่า