Katı Malzemelerin Yoğunluğu Nasıl Belirlenir

Kelimeyi gördüğünde veya duyduğundayoğunluk,Terime aşina iseniz, büyük olasılıkla zihninizde "kalabalıklık" imgelerini çağırır: sıkışık şehir sokakları veya çevrenizdeki bir parkın bir bölümündeki ağaçların olağandışı kalınlığı Komşuluk.

Ve özünde, yoğunluğun ifade ettiği şey budur: sahnedeki herhangi bir şeyin toplam miktarına değil, mevcut alana ne kadar dağıtıldığına vurgu yapan bir şeyin konsantrasyonu.

Yoğunluk, fiziksel bilimler dünyasında kritik bir kavramdır. Temel ilişki kurmanın bir yolunu sunarÖnemli olmak -genellikle (ama her zaman değil) görülebilen ve hissedilebilen ya da en azından bir şekilde yakalanan günlük yaşamdaki şeyler laboratuvar ortamındaki ölçümlerde - temel uzaya, gezinmek için kullandığımız çerçeveye dünya. Dünyadaki farklı madde türleri, yalnızca katı madde alanında bile çok farklı yoğunluklara sahip olabilir.

Katıların yoğunluk ölçümü, sıvıların ve gazların yoğunluklarının tayininde kullanılanlardan farklı yöntemler kullanılarak gerçekleştirilir. Yoğunluğu ölçmenin en doğru yolu, genellikle deneysel duruma ve numune, bilinen fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip tek bir madde (malzeme) türünü veya birden fazlasını içerir. türleri.

fizikte,bir malzeme örneğinin yoğunluğu, yalnızca numunenin toplam kütlesinin hacmine bölünmesidir., numunedeki maddenin nasıl dağıldığına bakılmaksızın (söz konusu katının mekanik özelliklerini etkileyen bir endişe).

Belirli bir aralık içinde öngörülebilir bir yoğunluğa sahip olan, ancak aynı zamanda büyük ölçüde değişen düzeylere sahip bir şeye bir örnek. boyunca yoğunluk, az ya da çok sabit bir su, kemik ve diğer türlerden oluşan insan vücududur. doku. Yoğunluk, Yunan harfi rho kullanılarak ifade edilir:

Yoğunluk ve kütle genellikle birbiriyle karıştırılır.ağırlık, belki farklı nedenlerle olsa da. Ağırlık, basitçe maddeye veya kütleye etki eden yerçekimi ivmesinden kaynaklanan kuvvettir:

Dünya'da yerçekimi ivmesi 9.8 m/s değerine sahiptir.². birkitle10 kg'lık birağırlık(10 kg)(9,8 m/sn)²) = 98 Newton (N).

Ağırlığın kendisi de yoğunlukla karıştırılır, çünkü aynı boyutta iki nesne verildiğinde, yoğunluğu daha yüksek olan aslında daha ağır olacaktır. Bu, eski hileli sorunun temelidir, "Hangisi daha ağırdır, bir kilo tüy mü yoksa bir kilo kurşun mu?" Bir pound bir pound ne olursa olsun ama buradaki kilit nokta, bir kilo tüyün bir kilo kurşundan çok daha fazla yer kaplamasıdır çünkü kurşun çok daha büyüktür. yoğunluk.

Yoğunlukla yakından ilgili bir fizik terimispesifik yer çekimi(SG). Bu sadece belirli bir malzemenin yoğunluğunun suyun yoğunluğuna bölünmesidir. Normal oda sıcaklığında, 25 °C'de suyun yoğunluğu tam olarak 1 g/mL (veya eşdeğeri, 1 kg/L) olarak tanımlanır. Bunun nedeni, bir litrenin SI (uluslararası sistem veya "metrik") birimlerindeki tanımının, 1 kg kütleye sahip su miktarı olmasıdır.

O halde yüzeyde bu, SG'yi oldukça önemsiz bir bilgi parçası yapıyor gibi görünüyor: Neden 1'e bölün? Aslında bunun iki nedeni var. Birincisi, su ve diğer malzemelerin yoğunluğunun, oda sıcaklığı aralıklarında bile sıcaklıkla biraz değişmesidir. bu nedenle hassas ölçümler gerektiğinde, ρ değeri sıcaklık olduğu için bu varyasyon hesaba katılmalıdır. bağımlı.

Ayrıca, yoğunluk g/mL veya benzeri birimlere sahipken, SG birimsizdir, çünkü yalnızca bir yoğunluk bölü yoğunluğa eşittir. Bu miktarın sadece bir sabit olması, yoğunlukla ilgili bazı hesaplamaları kolaylaştırır.

Katı malzemelerin yoğunluğunun belki de en büyük pratik uygulaması,Arşimet ilkesi, bin yıl önce aynı adı taşıyan bir Yunan bilgini tarafından keşfedildi. Bu ilke, katı bir nesne bir sıvıya yerleştirildiğinde, nesnenin yukarı doğru bir ağa maruz kaldığını iddia eder.kaldırma kuvvetieşitağırlıkyer değiştiren sıvının

Bu kuvvet, nesne üzerindeki etkisinden bağımsız olarak aynıdır; bu, onu yüzeye doğru itmek olabilir (eğer nesnenin yoğunluğu sıvının yoğunluğundan daha azsa), izin verin. yerinde mükemmel bir şekilde yüzmek (cismin yoğunluğu sıvının yoğunluğuna tam olarak eşitse) veya batmasına izin vermek (cismin yoğunluğu, sıvının yoğunluğundan büyükse) sıvı).

Sembolik olarak, bu ilke şu şekilde ifade edilir:F_B = W_f,neredeF​_B kaldırma kuvvetidir veW​_f yer değiştiren sıvının ağırlığıdır.

Katı bir malzemenin yoğunluğunu belirlemek için kullanılan çeşitli yöntemlerden,hidrostatik tartımen uygun değilse de en doğru olduğu için tercih edilir. İlgilenilen katı malzemelerin çoğu, hacmin dolaylı olarak belirlenmesini gerektiren, kolayca hesaplanan hacimlere sahip düzgün geometrik şekiller biçiminde değildir.

Bu, Arşimet ilkesinin işe yaradığı pek çok yaşam alanından biridir. Bir özne hem havada hem de yoğunluğu bilinen bir sıvıda tartılır (su açıkçası yararlı bir seçimdir). 60 kg (W = 588 N) "kara" kütlesi olan bir nesne, tartmak için daldırıldığında 50 L su ile yer değiştirirse, yoğunluğu 60 kg/50 L = 1,2 kg/L olmalıdır.

Bu örnekte, kaldırma kuvvetine ek olarak yukarı doğru bir kuvvet uygulayarak sudan daha yoğun olan bu cismi yerinde asılı tutmak isteseydiniz, bu kuvvetin büyüklüğü ne olurdu? Sadece yer değiştiren suyun ağırlığı ile cismin ağırlığı arasındaki farkı hesaplarsınız: 588 N – (50 kg) (9,8 m/sn)²) = 98 N.

• Bu senaryoda, cismin hacminin 1/6'sı suyun üzerinde dışarı çıkıyor olacaktır, çünkü su cismin sadece 5/6'sı kadar yoğundur (1 g/mL'ye karşılık 1 g/mL). 1,2 g/mL).

Bazen size birden fazla malzeme türü içeren bir nesne sunulur, ancak insan vücudunun örneğinden farklı olarak, bu malzemeleri düzgün bir şekilde dağıtılmış bir şekilde içerir. Yani, malzemeden küçük bir numune aldıysanız, tüm nesneyle aynı A malzemesinin B malzemesine oranına sahip olacaktır.

Bunun meydana geldiği bir durum, kirişlerin ve diğer destekleyici elemanların genellikle iki tip malzemeden yapıldığı yapı mühendisliğidir: matris (M) ve fiber (F). Bu iki elementin hacim oranından oluşan bu kirişin bir örneğiniz varsa ve bunların bireysel yoğunluklarını biliyorsanız, kompozitin yoğunluğunu (ρ) hesaplayabilirsiniz._C) aşağıdaki denklemi kullanarak:

nerede_F ve ρ_M ve V_F ve Vm, her bir malzeme türünün yoğunlukları ve hacim fraksiyonlarıdır (yani, fiber veya matristen oluşan kirişin yüzdesi, ondalık sayıya dönüştürülmüştür).

​Misal:1000 mL'lik bir gizemli nesne örneği, yoğunluğu 5 g/mL olan yüzde 70 kayalık malzeme ve yoğunluğu 2 g/mL olan yüzde 30 jel benzeri malzeme içerir. Cismin (kompozit) yoğunluğu nedir?