Зміст
- Що таке щільність?
- Щільність та питома вага
- Принцип Архімеда
- Вимірювання щільності твердих тіл
- Композитна щільність твердих тіл
Коли ви бачите чи чуєте це слово щільність, якщо ви взагалі знайомі з цим терміном, він, швидше за все, викликає на вашу думку образи "переповненості": переповнені варенням міські вулиці, скажімо, або незвичну товщину дерев у частині парку у вашому районі.
І по суті, саме на яку щільність посилається: концентрація чогось, при цьому акцент не на загальній кількості нічого на сцені, а на те, скільки розподілено на доступний простір.
Щільність - це критичне поняття у світі фізичних наук. Він пропонує спосіб співвідносити базове матерія - речі повсякденного життя, які зазвичай (але не завжди) можна побачити і відчути або принаймні якось захопити в вимірюваннях в лабораторних умовах - до базового простору, тієї основи, яку ми використовуємо для навігації по світу. Різні види матерії на Землі можуть мати дуже різну щільність, навіть в межах сфери твердої речовини.
Вимірювання щільності твердих тіл проводиться за допомогою методів, відмінних від тих, що застосовуються при аналізі густини рідин і газів. Найбільш точний спосіб вимірювання щільності часто залежить від експериментальної ситуації та від того, чи включає ваш зразок лише один тип речовини (матеріалу) з відомими фізико-хімічними властивостями або декілька типів.
Що таке щільність?
У фізиці щільність зразка матеріалу - це лише загальна маса зразка, поділена на його об'ємнезалежно від розподілу речовини в зразку (стурбованість, яка впливає на механічні властивості твердої речовини, про яку йдеться).
Прикладом того, що має передбачувану щільність у заданому діапазоні, але також має сильно різний рівень густини на всьому протязі, є організм людини, який складається з більш-менш фіксованого співвідношення води, кісток та інших типів тканини.
І щільність, і маса часто плутають вага, хоча, можливо, з різних причин. Вага - це просто сила, що виникає внаслідок прискорення сили тяжіння, що діє на речовину або масу: F = мг. На Землі прискорення внаслідок сили тяжіння має значення 9,8 м / с2. А маси 10 кг при цьому має а вага (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 питання про хитрість: "Хто важить більше, кілограм пір'я або фунт свинцю?" Фунт - це фунт, незважаючи ні на що, але ключовим тут є те, що фунт пір’я займе набагато більше місця, ніж фунт свинцю через відводів набагато більшої щільності.
Щільність та питома вага
Термін фізики, тісно пов'язаний з щільністю питома вага (СГ). Це просто щільність того чи іншого матеріалу, поділена на щільність води. Густина води визначається рівно 1 г / мл (або еквівалентно 1 кг / л) при нормальній кімнатній температурі 25 ° С. Це тому, що саме визначення літра в одиницях СІ (міжнародна система, або "метрична") - це кількість води, що має масу 1 кг.
На перший погляд, це, здавалося б, робить SG досить тривіальною інформацією: навіщо ділити на 1? Насправді, це дві причини. Перша полягає в тому, що щільність води та інших матеріалів незначно змінюється з температурою навіть у межах кімнатної температури, тому, коли потрібні точні вимірювання, цей варіант необхідно враховувати, оскільки значення ρ залежить від температури.
Крім того, хоча щільність має одиниці г / мл тощо, SG є нероздільним, оскільки це просто щільність, поділена на щільність. Той факт, що ця кількість є лише постійною, полегшує деякі розрахунки, пов’язані з щільністю.
Принцип Архімеда
Мабуть, найбільше практичне застосування щільності твердих матеріалів Принцип Архімеда, відкритий тисячоліттями тому однойменним грецьким ученим. Цей принцип стверджує, що коли твердий предмет розміщений у рідині, об'єкт підлягає сітці вгору плавуча сила дорівнює вага переміщеної рідини.
Ця сила однакова, незалежно від її впливу на об'єкт, що може бути штовхнути його до поверхні (якщо щільність об'єкта менше, ніж у рідини), дозволяють йому плавно чудово плавати на місці (якщо щільність об'єкт точно дорівнює рідині) або дозволяють йому потонути (якщо щільність об'єкта більша, ніж у рідини).
Символічно цей принцип виражається як ЖБ = Wf, де ЖБ є плавучою силою і Wf - вага переміщеної рідини.
Вимірювання щільності твердих тіл
З різних методів, що використовуються для визначення щільності твердого матеріалу, гідростатичне зважування є кращим, оскільки він є найбільш точним, якщо не найзручнішим. Більшість цікавих матеріалів, що цікавлять, не мають форми акуратних геометричних фігур з легко обчислюваними обсягами, що вимагають непрямого визначення обсягу.
Це одне з багатьох напрямків життя, який корисний принципу Архімеда. Суб'єкт зважується як у повітрі, так і у рідині відомої густини (вода, очевидно, є корисним вибором). Якщо об’єкт масою 60 кг (W = 588 N) витісняє 50 л води при зануренні для зважування, її щільність повинна становити 60 кг / 50 л = 1,2 кг / л.
Якби в цьому прикладі ви хотіли, щоб цей об'єкт щільніше, ніж вода був підвішений на місці, застосувавши посилюючу силу на додаток до плавучої сили, якою була б величина цієї сили? Ви просто обчислюєте різницю між вагою витісненої води та вагою предмета: 588 Н - (50 кг) (9,8 м / с2) = 98 Н.
Композитна щільність твердих тіл
Іноді вам подають предмет, який містить більше одного типу матеріалу, але на відміну від прикладу людського тіла, містить ці матеріали рівномірно розподіленим способом. Тобто, якби ви взяли крихітний зразок матеріалу, воно матиме таке ж співвідношення матеріалу А до матеріалу В, як і весь об’єкт.
Одна з ситуацій, в якій це відбувається, полягає в будівництві, де балки та інші несучі елементи часто виготовляються з двох видів матеріалу: матриці (M) і волокна (F). Якщо у вас є зразок цього променя, складений із відомого співвідношення об'єму цих двох елементів, і ви знаєте їх індивідуальну щільність, ви можете обчислити щільність композиту (ρС) з використанням наступного рівняння:
ρС = ρЖVЖ + ρМVМ,
Де ρЖ і ρМ і VЖ і Vm - щільність і об'ємні частки (тобто відсоток пучка, що складається з волокна або матриці, перетвореної на десяткове число) кожного типу матеріалу.
Приклад: Зразок об'ємом 1000 мл загадкового предмета містить 70 відсотків скелястого матеріалу з щільністю 5 г / мл та 30 відсотків гелевидного матеріалу з щільністю 2 г / мл. Яка щільність об’єкта (композиту)?
ρС = ρRVR + ρГVГ = (5 г / мл) (0,70) + (2 г / мл) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 г / мл.