Tartalom
- Mi a sűrűség?
- Sűrűség vs. fajsúly
- Archimedes elv
- A szilárd anyagok sűrűségmérése
- A szilárd anyagok kompozit sűrűsége
Amikor látja vagy hallja a szót sűrűség, Ha egyáltalán ismeri a kifejezést, akkor valószínűleg felhívja a gondolataiba a "zsúfolás" képeit: mondjuk, dugványba töltött városi utcák, vagy a fák szokatlan vastagsága egy szomszédságában lévő park egy részén.
És lényegében az, amit a sűrűség utal: valami koncentrációjára, hangsúlyt nem helyezve a jelenetben szereplő összes anyag mennyiségére, hanem arra, hogy mennyi eloszlik a rendelkezésre álló térben.
A sűrűség kritikus fogalom a fizikai tudományok világában. Ez módot kínál az alapvető összekapcsolására ügy - a mindennapi élet olyan dolgai, amelyeket általában (de nem mindig) láthatunk és érezhetünk, vagy legalábbis valamilyen módon elfoghatunk a laboratóriumi környezetben végzett mérések során - az alaptérig, az a keret, amelyet a világ navigálásához használunk. A Földön lévő különféle anyagok nagyon különböző sűrűségűek lehetnek, még önmagában is a szilárd anyag területén.
A szilárd anyagok sűrűségének mérését a folyadékok és a gázok sűrűségének meghatározásához alkalmazott módszerektől eltérő módszerekkel hajtják végre. A sűrűség mérésének legpontosabb módja gyakran a kísérleti helyzettől és attól függ, hogy a mintája tartalmaz-e csak egy típusú anyagot (anyag) ismert fizikai és kémiai tulajdonságokkal, vagy több fajtát.
Mi a sűrűség?
A fizikában, az anyagminta sűrűsége a minta teljes tömegét osztja a térfogatával, függetlenül attól, hogy a mintában az anyag eloszlik-e (olyan aggály, amely befolyásolja a kérdéses szilárd anyag mechanikai tulajdonságait).
Példa valamire, amelynek kiszámítható sűrűsége egy adott tartományon belül van, de az egészben nagyon eltérő sűrűség-szinttel rendelkezik, az emberi test, amelyet a víz, a csont és más típusú szövetek többé-kevésbé rögzített aránya alkot.
A sűrűséget és a tömeget gyakran összekeverik súly, bár talán különböző okokból. A súly egyszerűen az anyagra vagy a tömegre ható gravitáció gyorsulásának eredménye: F = mg. A Földön a gravitáció miatti gyorsulás értéke 9,8 m / s2. A tömeg 10 kg-os súlyának tehát a súly (10 kg) (9,8 m / s2) = 98 Newton (N).
Maga a súlyt összekeverik a sűrűséggel is, annak az egyszerű okból, hogy ha két azonos méretű tárgyat kapunk, akkor a nagyobb sűrűségű tárgy valójában többet fog súlyozni. Ez az alapja a régi trükkkérdésnek: "Ki tömeg több, egy toll toll vagy egy font ólom?" A font nem egy font, de itt a legfontosabb, hogy a toll font sokkal több helyet fog foglalni, mint egy font ólom, mivel a sokkal nagyobb sűrűség miatt.
Sűrűség vs. fajsúly
A sűrűséggel szorosan összefüggő fizikai kifejezés fajsúly (SG). Ez csak egy adott anyag sűrűsége elosztva a víz sűrűségével. A víz sűrűségét pontosan 1 g / ml-nek (vagy azzal egyenértékűen 1 kg / L-nek) kell meghatározni normál szobahőmérsékleten, 25 ° C-on. Ennek oka az, hogy a liter meghatározása SI (nemzetközi rendszer, vagy „metrikus”) egységekben az 1 kg tömegű vízmennyiség.
A felszínen ez úgy tűnik, hogy az SG meglehetősen triviális információt nyújt: Miért kell osztani az 1-gyel? Valójában két oka van. Az egyik az, hogy a víz és más anyagok sűrűsége kissé változik a hőmérséklettől függően, még a szobahőmérsékleti tartományon belül is, tehát amikor pontos mérésekre van szükség, ezt a változást figyelembe kell venni, mivel a ρ értéke hőmérséklettől függ.
Ugyanakkor, míg a sűrűség g / ml vagy hasonló egységekkel rendelkezik, az SG egységek nélküli, mert csak egy sűrűség osztva egy sűrűséggel. Az a tény, hogy ez a mennyiség csak állandó, megkönnyíti a sűrűséggel járó számításokat.
Archimedes elv
A szilárd anyagok sűrűségének talán a gyakorlati alkalmazása a legnagyobb Archimedes elv, amelyet évezredekkel ezelőtt felfedeztek egy azonos nevű görög tudós. Ez az elv azt állítja, hogy amikor egy szilárd tárgyat folyadékba helyeznek, akkor a tárgyat felfelé nettó hálózat képezi hullámzó erő megegyezik a súly a kiszorított folyadék mennyisége.
Ez az erő ugyanaz, függetlenül attól, hogy milyen hatással van a tárgyra, azaz lehet, hogy azt a felület felé tolja (ha a tárgy sűrűsége kisebb, mint a folyadék sűrűsége), engedje, hogy tökéletesen lebegjen a helyén (ha a a tárgy pontosan megegyezik a folyadékéval), vagy engedje, hogy süllyedjen (ha a tárgy sűrűsége nagyobb, mint a folyadék sűrűsége).
Szimbolikusan ez az elv a következőképpen fejeződik ki: FB = Wf, ahol FB a felhajtó erő és Wf a kiszorított folyadék tömege.
A szilárd anyagok sűrűségmérése
A szilárd anyag sűrűségének meghatározására használt különféle módszerek közül hidrosztatikus mérés az előnyben részesített, mert ez a legpontosabb, ha nem a legkényelmesebb. A legtöbb érdekes szilárd anyag nem tiszta geometriai alakban van, könnyen kiszámítható térfogattal, és a térfogat közvetett meghatározását igényli.
Ez egy a sok életszakból, amelyre az Archimedes-elv hasznos. Az alanyt levegőn és ismert sűrűségű folyadékban mérjük (a víz nyilvánvalóan hasznos választás). Ha egy tárgy 60 kg (szárazföldi) tömegű (W = 588 N) 50 l vizet kiszorít, amikor belemerül a mérésbe, akkor sűrűségének 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L-nek kell lennie.
Ha ebben a példában azt akarja tartani, hogy ezt a víznél sűrűbb tárgyat felfüggesztve tartsa úgy, hogy a felhajtó erő mellett felfelé irányuló erőt alkalmaz, akkor mekkora ez az erő? Ön pusztán kiszámítja a kiszorított víz és a tárgy súlya közötti különbséget: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s2) = 98 N.
A szilárd anyagok kompozit sűrűsége
Időnként olyan tárgyat mutatnak be Önnek, amely egynél többféle anyagot tartalmaz, de az emberi test példájával ellentétben ezeket az anyagokat egyenletesen eloszlatva tartalmazza. Vagyis ha apró mintát vett az anyagból, akkor az A anyag és a B anyag aránya megegyezik, mint az egész tárgyé.
Ennek egyik helyzete a szerkezetépítésben rejlik, ahol a gerendákat és más tartóelemeket gyakran kétféle anyagból készülik: mátrixból (M) és rostból (F). Ha van egy minta a fénysugárból, amely e két elem ismert térfogatarányából áll, és tudja az egyes sűrűségüket, kiszámíthatja a kompozit sűrűségét (ρC) a következő egyenlet felhasználásával:
ρC = ρFVF + ρMVM,
Ahol ρF és ρM és V.F és Vm az egyes anyagtípusok sűrűsége és térfogataránya (azaz a rostból vagy mátrixból álló sugár százaléka, tizedes számra átszámítva).
Példa: Egy rejtélyes tárgy 1000 ml-es mintája 70% -ban sziklás anyagot tartalmaz 5 g / ml sűrűséggel és 30% gélszerű anyagot, sűrűsége 2 g / ml. Mekkora a tárgy sűrűsége (kompozit)?
ρC = ρRVR + ρGVG = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.