Содержание
- Что такое плотность?
- Плотность против удельной массы
- Принцип Архимеда
- Измерение плотности твердых веществ
- Сложная плотность твердых веществ
Когда вы видите или слышите слово плотность, если вы вообще знакомы с этим термином, он, скорее всего, вызывает у вас образы «многолюдности»: скажем, забитые городскими улицами улицы или необычная густота деревьев в части парка в вашем районе.
И по сути, это то, что относится к плотности: концентрация чего-либо, с акцентом не на общее количество чего-либо в сцене, а на то, сколько было распределено в доступном пространстве.
Плотность является критическим понятием в мире физических наук. Он предлагает способ связать основные дело - материал повседневной жизни, который обычно (но не всегда) можно увидеть и почувствовать или, по крайней мере, каким-то образом зафиксировать в измерениях в лабораторных условиях - в базовом пространстве, той самой структуре, которую мы используем для навигации по миру. Различные виды материи на Земле могут иметь очень разные плотности, даже в пределах одной только твердой материи.
Измерение плотности твердых веществ выполняется с использованием методов, отличных от используемых при анализе плотности жидкостей и газов. Наиболее точный способ измерения плотности часто зависит от экспериментальной ситуации и от того, содержит ли ваш образец только один тип вещества (материала) с известными физическими и химическими свойствами или несколько типов.
Что такое плотность?
В физике плотность образца материала - это просто общая масса образца, деленная на его объемнезависимо от того, как распределяется вещество в образце (проблема, которая влияет на механические свойства рассматриваемого твердого тела).
Примером чего-то, что имеет предсказуемую плотность в данном диапазоне, но также имеет сильно различающиеся уровни плотности по всему, является человеческое тело, которое состоит из более или менее фиксированного соотношения воды, кости и других типов тканей.
Плотность и массу часто путают с весХотя, возможно, по разным причинам. Вес - это просто сила, возникающая в результате ускорения силы тяжести, действующего на вещество или массу: F = мг, На Земле ускорение под действием силы тяжести имеет значение 9,8 м / с.2, масса 10 кг, таким образом, имеет вес из (10 кг) (9,8 м / с2) = 98 Ньютонов (N).
Сам вес также путают с плотностью, по той простой причине, что при наличии двух объектов одинакового размера тот, у которого более высокая плотность, на самом деле будет весить больше. Это основа для старой хитрости вопроса: «Какой вес больше, фунт перьев или фунт свинца?» Фунт - это фунт, не смотря ни на что, но ключевой момент здесь заключается в том, что фунт перьев займет гораздо больше места, чем фунт свинца, потому что ведет к гораздо большей плотности.
Плотность против удельной массы
Физический термин, тесно связанный с плотностью удельный вес (SG). Это просто плотность данного материала, деленная на плотность воды. Плотность воды определена равной 1 г / мл (или эквивалентно 1 кг / л) при нормальной комнатной температуре 25 ° C. Это потому, что само определение литра в единицах СИ (международная система, или «метрическая система») - это количество воды, которое имеет массу 1 кг.
На первый взгляд, это может показаться SG довольно тривиальной информацией: зачем делить на 1? На самом деле, есть две причины. Одним из них является то, что плотность воды и других материалов незначительно изменяется с температурой даже в пределах комнатных температур, поэтому, когда необходимы точные измерения, это изменение необходимо учитывать, поскольку значение ρ зависит от температуры.
Кроме того, хотя плотность имеет единицы г / мл или тому подобное, SG не имеет единиц измерения, потому что это просто плотность, деленная на плотность. Тот факт, что эта величина является просто константой, облегчает некоторые вычисления, связанные с плотностью.
Принцип Архимеда
Возможно, наибольшее практическое применение плотности твердых материалов заключается в Принцип Архимедаоткрыл тысячелетие назад греческий ученый с тем же именем. Этот принцип утверждает, что, когда твердый объект помещается в жидкость, объект подвергается сетке вверх выталкивающая сила равный вес вытесненной жидкости.
Эта сила одинакова независимо от ее воздействия на объект, который может заключаться в том, чтобы толкать его к поверхности (если плотность объекта меньше плотности жидкости), что позволяет ему плавно перемещаться на месте (если плотность объект точно равен плотности жидкости) или позволяет ему утонуть (если плотность объекта больше плотности жидкости).
Символически этот принцип выражается как FВ = Wе, где FВ это выталкивающая сила и Wе вес вытесненной жидкости.
Измерение плотности твердых веществ
Из различных методов, используемых для определения плотности твердого материала, гидростатическое взвешивание является предпочтительным, потому что он является наиболее точным, если не самым удобным. Большинство твердых материалов, представляющих интерес, не имеют форму аккуратных геометрических фигур с легко рассчитанными объемами, что требует косвенного определения объема.
Это одно из многих направлений жизни, которое пригодится принципу Архимеда. Субъект взвешивается как в воздухе, так и в жидкости известной плотности (вода, очевидно, является полезным выбором). Если объект с «сухой» массой 60 кг (W = 588 Н) вытесняет 50 л воды при погружении для взвешивания, его плотность должна составлять 60 кг / 50 л = 1,2 кг / л.
Если в этом примере вы хотели бы удерживать этот плотно-надводный объект на месте, применяя направленную вверх силу в дополнение к выталкивающей силе, какой будет величина этой силы? Вы просто рассчитываете разницу между весом вытесненной воды и весом объекта: 588 Н - (50 кг) (9,8 м / с).2) = 98 Н.
Сложная плотность твердых веществ
Иногда вам предоставляют объект, который содержит более одного типа материала, но, в отличие от примера человеческого тела, содержит эти материалы равномерно распределенным образом. То есть, если вы взяли крошечный образец материала, он имел бы такое же соотношение материала A и материала B, как и весь объект.
Одна из ситуаций, в которой это происходит, - это конструирование конструкций, где балки и другие опорные элементы часто изготавливаются из двух типов материалов: матрицы (M) и волокна (F). Если у вас есть образец этого луча, составленный из известного объемного отношения этих двух элементов, и вы знаете их индивидуальные плотности, вы можете рассчитать плотность композита (ρС) используя следующее уравнение:
ρС = ρFВF + ρMВM,
Где ρF и ρM и VF и Vm - плотности и объемные доли (то есть процентное отношение луча, состоящего из волокна или матрицы, преобразованное в десятичное число) каждого типа материала.
Пример: Образец таинственного объекта на 1000 мл содержит 70 процентов скального материала с плотностью 5 г / мл и 30 процентов гелеобразного материала с плотностью 2 г / мл. Какова плотность объекта (составной)?
ρС = ρрВр + ρграммВграмм = (5 г / мл) (0,70) + (2 г / мл) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 г / мл.