Ako určiť hustotu pevných materiálov

Obsah

• Čo je hustota?
• Hustota verzus špecifická hmotnosť
• Princíp Archimedes
• Meranie hustoty tuhých látok
• Zložená hustota pevných látok

Keď vidíte alebo počujete slovo hustota, Ak ste sa s týmto termínom vôbec oboznámili, s najväčšou pravdepodobnosťou na vás upúta obrázky „preplnenej ness“: povedzme zabalené mestské ulice alebo neobvyklú hrúbku stromov v časti parku vo vašom okolí.

A v podstate to je to, na čo odkazuje hustota: koncentrácia niečoho, s dôrazom nie na celkové množstvo všetkého na scéne, ale na to, koľko bolo rozdelené do dostupného priestoru.

Hustota je kritickým konceptom vo svete fyzikálnych vied. Ponúka spôsob, ako spojiť základné hmota - veci každodenného života, ktoré sa zvyčajne (ale nie vždy) dajú vidieť a cítiť alebo aspoň nejakým spôsobom zachytiť pri meraniach v laboratórnom prostredí - do základného priestoru, čo je samotný rámec, ktorý používame na navigáciu po svete. Rôzne druhy hmoty na Zemi môžu mať veľmi odlišné hustoty, dokonca aj v ríši samotnej pevnej látky.

Meranie hustoty tuhých látok sa vykonáva pomocou metód odlišných od metód používaných pri testovaní hustoty kvapalín a plynov. Najpresnejší spôsob merania hustoty často závisí od experimentálnej situácie a od toho, či vaša vzorka obsahuje iba jeden druh látky (materiálu) so známymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami alebo viac typov.

Čo je hustota?

Vo fyzike hustota vzorky materiálu je iba celková hmotnosť vzorky vydelená jej objemom, bez ohľadu na to, ako je látka vo vzorke distribuovaná (problém, ktorý ovplyvňuje mechanické vlastnosti danej pevnej látky).

Príkladom niečoho, čo má predvídateľnú hustotu v danom rozmedzí, ale má tiež veľmi rôzne úrovne hustoty v celom, je ľudské telo, ktoré je tvorené viac-menej pevným pomerom vody, kostí a iných typov tkanív.

Hustota a hmotnosť sú často zamieňané závažia, aj keď z rôznych dôvodov. Hmotnosť je jednoducho sila, ktorá je výsledkom zrýchlenia gravitácie pôsobiaceho na hmotu alebo hmotu: F = mg, Na Zemi má gravitačné zrýchlenie hodnotu 9,8 m / s², hmota 10 kg má teda a závažia (10 kg) (9,8 m / s)²) = 98 Newtonov (N).

Samotná váha je tiež zamieňaná s hustotou, a to z jednoduchého dôvodu, že vzhľadom na dva objekty rovnakej veľkosti bude ten, ktorý má vyššiu hustotu, v skutočnosti vážiť viac. Toto je základ pre starú trikovú otázku: „Ktorá váži viac, libru peria alebo libru olova?“ Libra je libra bez ohľadu na to, ale kľúčom je, že libra peria zaberie oveľa viac miesta ako libra olova kvôli oveľa väčšej hustote olova.

Hustota verzus špecifická hmotnosť

Fyzikálny termín úzko súvisiaci s hustotou je merná hmotnosť (SG). Toto je iba hustota daného materiálu vydelená hustotou vody. Hustota vody je definovaná ako presne 1 g / ml (alebo ekvivalentne 1 kg / l) pri normálnej teplote miestnosti, 25 ° C. Je to tak preto, že samotná definícia litra v jednotkách SI (medzinárodný systém alebo „metrické“) je množstvo vody s hmotnosťou 1 kg.

Zdá sa teda, že SG sa z toho javí ako dosť triviálna informácia: Prečo deliť 1? V skutočnosti existujú dva dôvody. Jedným z nich je to, že hustota vody a iných materiálov sa mierne mení s teplotou aj v rámci rozsahov izbovej teploty, takže keď sú potrebné presné merania, musí sa táto odchýlka zohľadniť, pretože hodnota ρ je závislá od teploty.

Aj keď hustota má jednotky g / ml alebo podobne, SG nie je jednotný, pretože je to iba hustota delená hustotou. Skutočnosť, že toto množstvo je iba konštantná, uľahčuje niektoré výpočty týkajúce sa hustoty.

Princíp Archimedes

Asi najväčšia praktická aplikácia hustoty pevných materiálov spočíva v Princíp Archimedes, ktorú objavili pred tisícročiami grécky učenec rovnakého mena. Tento princíp tvrdí, že keď je pevný predmet umiestnený do tekutiny, predmet je vystavený sieti nahor vztlaková sila rovná sa závažia vytesnenej tekutiny.

Táto sila je rovnaká bez ohľadu na jej účinok na objekt, ktorý by mohol byť jej tlačenie smerom k povrchu (ak je hustota objektu menšia ako hustota tekutiny), umožnite mu plávať dokonale na svojom mieste (ak je hustota objekt sa presne rovná hustote tekutiny) alebo ho nechajte klesnúť (ak je hustota objektu väčšia ako hustota tekutiny).

Symbolicky je tento princíp vyjadrený ako F_B = W_F, kde F_B je vztlaková sila a W_F je hmotnosť vytesnenej tekutiny.

Meranie hustoty tuhých látok

Z rôznych metód používaných na stanovenie hustoty pevného materiálu hydrostatické váženie je preferovaná, pretože je najpresnejšia, ak nie najvhodnejšia. Väčšina pevných materiálov, ktoré sú predmetom záujmu, nie sú vo forme elegantných geometrických tvarov s ľahko vypočítateľnými objemami, čo si vyžaduje nepriame stanovenie objemu.

Toto je jedna z mnohých oblastí života, ktoré sa hodí Archimedov princíp. Subjekt je vážený ako vo vzduchu, tak v tekutine so známou hustotou (voda je samozrejme užitočná voľba). Ak predmet s „pozemnou“ hmotnosťou 60 kg (W = 588 N) vytlačí 50 I vody, keď je ponorený na váženie, musí byť jeho hustota 60 kg / 50 l = 1,2 kg / l.

Ak by ste v tomto príklade chceli ponechať tento hustejší ako vodný objekt zavesený na mieste použitím vztlakovej sily okrem vznášajúcej sily, aká by bola veľkosť tejto sily? Vypočítate iba rozdiel medzi hmotnosťou vytlačenej vody a hmotnosťou objektu: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s)²) = 98 N.

Zložená hustota pevných látok

Niekedy ste dostali predmet, ktorý obsahuje viac ako jeden druh materiálu, ale na rozdiel od príkladu ľudského tela obsahuje tieto materiály rovnomerne rozloženým spôsobom. To znamená, že ak by ste odobrali malú vzorku materiálu, mal by rovnaký pomer materiálu A k materiálu B ako celý predmet.

Jedna situácia, v ktorej k tomu dôjde, je v stavebníctve, kde nosníky a iné nosné prvky sú často vyrobené z dvoch druhov materiálov: matrice (M) a vlákna (F). Ak máte vzorku tohto lúča tvorenú známym objemovým pomerom týchto dvoch prvkov a poznáte ich jednotlivé hustoty, môžete vypočítať hustotu kompozitu (ρ_C) pomocou nasledujúcej rovnice:

ρ_C = ρ_FV_F + ρ_MV_M,

Kde ρ_F a ρ_M a V_F a Vm sú hustoty a objemové frakcie (t. j. percento lúča pozostávajúceho z vlákien alebo matrice, prepočítané na desatinné číslo) každého typu materiálu.

Príklad: 1 000 ml vzorka záhadného predmetu obsahuje 70 percent skalnatého materiálu s hustotou 5 g / ml a 30 percent gélovitého materiálu s hustotou 2 g / ml. Aká je hustota objektu (kompozitu)?

ρ_C = ρ_RV_R + ρ_GV_G = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.