Як визначити щільність твердих матеріалів

Коли ти бачиш або чуєш словощільність,якщо ви взагалі знайомі з цим терміном, він, швидше за все, викликає у вас на думку образи "переповненості": перевантажені міськими вулицями, скажімо, або незвична товщина дерев у частині парку у вашому околиці.

І по суті, це те, до чого відноситься щільність: концентрація чогось, з акцентом не на загальну кількість чого-небудь у сцені, а на те, скільки розподілено в доступному просторі.

Щільність є критичним поняттям у світі фізичних наук. Він пропонує спосіб відношення базовогоматерія -речі повсякденного життя, які зазвичай (але не завжди) можна побачити і відчути або, принаймні, якось захопити під час вимірювань у лабораторних умовах - до основного простору, саме тієї основи, яку ми використовуємо для навігації по світ. Різні види речовин на Землі можуть мати дуже різну щільність навіть у межах твердої речовини.

Вимірювання щільності твердих речовин проводиться з використанням методів, відмінних від методів, що застосовуються для визначення щільності рідин та газів. Найточніший спосіб вимірювання щільності часто залежить від експериментальної ситуації та від того, чи ваша зразок включає лише один вид речовини (матеріалу) з відомими фізико-хімічними властивостями або множинними типи.

У фізиці,щільність зразка матеріалу - це просто загальна маса зразка, поділена на його об'ємнезалежно від розподілу речовини у зразку (проблема, яка впливає на механічні властивості твердої речовини).

Приклад чогось, що має передбачувану щільність в межах заданого діапазону, але також має дуже різний рівень Щільність на всьому протязі - це тіло людини, яке складається з більш-менш фіксованого співвідношення води, кісток та інших видів тканина. Щільність виражається за допомогою грецької літери rho:

Густоту і масу часто плутають звага, хоча з, можливо, різних причин. Вага - це просто сила, яка виникає внаслідок прискорення сили тяжіння, що діє на речовину, або маси:

На Землі прискорення внаслідок сили тяжіння має значення 9,8 м / с². Aмаси10 кг, таким чином, маєвага(10 кг) (9,8 м / с²) = 98 Ньютонів (N).

Саму вагу також плутають із щільністю, з тієї простої причини, що з огляду на два об'єкти однакового розміру, той, що має більшу щільність, насправді важить більше. Це основа для старого фокусного питання: "Що важить більше, фунт пір’я чи фунт свинцю?" Фунт - це фунт, неважливо що, але ключовим тут є те, що фунт пір’я займе набагато більше місця, ніж фунт свинцю, оскільки свинцю набагато більше щільність.

Термін фізики, тісно пов'язаний з щільністю, єпитома вага(SG). Це лише щільність даного матеріалу, поділена на щільність води. Щільність води визначається рівно 1 г / мл (або еквівалентно 1 кг / л) при нормальній кімнатній температурі 25 ° C. Це пояснюється тим, що саме визначення літра в одиницях СІ (міжнародна система, або «метрична») - це кількість води, яка має масу 1 кг.

Тоді, здавалося б, це робить SG досить тривіальною інформацією: навіщо ділити на 1? Насправді є дві причини. Одне з них полягає в тому, що щільність води та інших матеріалів дещо змінюється залежно від температури, навіть у межах діапазону кімнатних температур, отже, коли потрібні точні вимірювання, ця варіація повинна бути врахована, оскільки значення ρ - це температура залежний.

Крім того, хоча щільність має одиниці г / мл тощо, SG не є одиницею, оскільки це просто щільність, поділена на щільність. Той факт, що ця величина є просто константою, полегшує деякі обчислення за щільністю.

Мабуть, найбільше практичне застосування щільності твердих матеріалів полягає вПринцип Архімеда, відкритий тисячоліття тому однойменним грецьким ученим. Цей принцип стверджує, що коли твердий предмет поміщається в рідину, він піддається сітці вгоруплавуча силадорівнюєвагавитісненої рідини.

Ця сила однакова незалежно від її впливу на об'єкт, який може полягати в тому, щоб підштовхнути його до поверхні (якщо щільність об'єкта менше щільності рідини), дозволити йому плавати ідеально на місці (якщо щільність об’єкта точно дорівнює щільності рідини) або дати йому опуститися (якщо щільність об’єкта більше щільності об’єкта рідина).

Символічно цей принцип виражається якF_B = Ш_f,деF​_B - плавуча сила іW​_f - вага рідини, що витісняється.

З різних методів, що застосовуються для визначення щільності твердого матеріалу,гідростатичне зважуванняє кращим, оскільки він є найбільш точним, якщо не найзручнішим. Більшість цікавих твердих матеріалів не мають форми акуратних геометричних фігур з легко обчислюваними обсягами, що вимагає непрямого визначення об’єму.

Це одна з багатьох сфер життя, в якій принцип Архімеда стає в нагоді. Суб'єкта зважують як у повітрі, так і в рідині з відомою щільністю (вода, очевидно, є корисним вибором). Якщо об’єкт із „сухопутною” масою 60 кг (Ш = 588 Н) витісняє 50 л води, коли його занурюють для зважування, його щільність повинна становити 60 кг / 50 л = 1,2 кг / л.

Якщо б у цьому прикладі ви хотіли утримати цей щільніший від води об’єкт підвішеним, застосувавши висхідну силу на додаток до плавучої сили, якою би була величина цієї сили? Ви просто обчислюєте різницю між вагою витісненої води та вагою об'єкта: 588 Н - (50 кг) (9,8 м / с²) = 98 Н.

• У цьому випадку 1/6 об'єму об'єкта стирчить над водою, оскільки вода на 5/6 частки така щільна, як об'єкт (1 г / мл проти. 1,2 г / мл).

Іноді вам представляють предмет, який містить більше одного типу матеріалу, але на відміну від прикладу людського тіла, він містить ці матеріали рівномірно. Тобто, якби ви взяли крихітну пробу матеріалу, він мав би таке саме відношення матеріалу А до матеріалу В, як і весь об’єкт.

Однією з ситуацій, коли це трапляється, є конструкційна інженерія, коли балки та інші несучі елементи часто виготовляються з двох видів матеріалу: матриці (M) та волокна (F). Якщо у вас є зразок цього пучка, складений із відомого коефіцієнта об’єму цих двох елементів, і ви знаєте їх окрему щільність, ви можете розрахувати щільність композиту (ρ_C.), використовуючи таке рівняння:

Де ρ_F та ρ_М і V_F і Vm - щільності та об'ємні частки (тобто відсоток пучка, що складається з волокна або матриці, перетвореного у десяткове число) кожного типу матеріалу.

​Приклад:Зразок загадкового об'єкта розміром 1000 мл містить 70 відсотків скелястого матеріалу щільністю 5 г / мл і 30 відсотків гелеподібного матеріалу щільністю 2 г / мл. Яка щільність об’єкта (композиту)?