Cum se calculează densitatea compozită

Conţinut

• Densitate definită
• Principiul Arhimede
• Masa, volumul și densitatea: conversii și date de interes
• Distribuția in masă neuniformă vs. uniformă
• Densitatea materialelor compozite
• Modul elastic

Masa și densitatea - împreună cu volumul, conceptul care leagă aceste două cantități, fizic și matematic - sunt două dintre cele mai fundamentale concepte în știința fizică.În ciuda acestui fapt, și chiar dacă masa, densitatea, volumul și greutatea sunt implicate fiecare în nenumărate milioane de calcule în întreaga lume în fiecare zi, multe persoane sunt ușor confundate de aceste cantități.

Densitate, care în termeni fizici și zilnici se referă pur și simplu la o concentrare a ceva din interiorul unui spațiu definit, înseamnă de obicei „densitate de masă” și, prin urmare, se referă la cantitatea de materie pe unitatea de volum. Numeroase concepții greșite abundă cu privire la relația dintre densitate și greutate. Acestea sunt ușor de înțeles și ușor de rezolvat pentru majoritatea cu o recenzie precum aceasta.

În plus, conceptul de densitatea compozitului este important. Multe materiale constau în mod natural, sau sunt fabricate dintr-un amestec sau elemente sau molecule structurale, fiecare cu propria densitate. Dacă cunoașteți raportul dintre materialele individuale între ele în obiectul de interes și puteți căuta sau identifica altfel densitățile lor individuale, atunci puteți determina densitatea compozită a materialului în ansamblu.

Densitate definită

Densitatea i se atribuie litera greacă rho (ρ) și este pur și simplu masa a ceva împărțit la volumul său total:

ρ = m / V

Unitățile SI (internaționale standard) sunt kg / m³, deoarece kilogramele și contoarele sunt unități SI de bază pentru masă și respectiv deplasare („distanță”). Cu toate acestea, în multe situații din viața reală, grame pe mililitru sau g / ml sunt o unitate mai convenabilă. Un mL = 1 centimetru cub (cc).

Forma unui obiect cu un volum și masă dat nu are nicio influență asupra densității sale, chiar dacă acest lucru poate afecta proprietățile mecanice ale obiectelor. În mod similar, două obiecte cu aceeași formă (și deci volum) și masă au întotdeauna aceeași densitate indiferent de modul în care se distribuie acea masă.

O sferă solidă de masă M și raza R cu masa sa răspândită uniform în toată sfera și o sferă solidă de masă M și raza R cu masa sa concentrată aproape în totalitate într-o „coajă” exterioară subțire au aceeași densitate.

Densitatea apei (H₂O) la temperatura camerei și presiunea atmosferică este definit ca fiind exact 1 g / ml (sau echivalent, 1 kg / L).

Principiul Arhimede

În zilele Greciei antice, Arhimede a dovedit destul de ingenios că atunci când un obiect este scufundat în apă (sau în orice fluid), forța pe care o experimentează este egală cu masa apei deplasată de gravitație (adică, greutatea apei). Aceasta duce la expresia matematică

m_obj - m_aplicaţia = ρ_flV_obj

În cuvinte, aceasta înseamnă că diferența dintre o masă măsurată a obiectelor și masa aparentă a acestuia când este scufundat, împărțită la densitatea fluidului, dă volumul obiectului scufundat. Acest volum este ușor discernut atunci când obiectul este un obiect format în mod regulat, cum ar fi o sferă, dar ecuația vine la îndemână pentru calcularea volumelor de obiecte ciudat.

Masa, volumul și densitatea: conversii și date de interes

A L este 1000 cc = 1.000 mL. Accelerația datorată gravitației lângă suprafața Pământului este g = 9,80 m / s².

Deoarece 1 L = 1.000 cc = (10 cm × 10 cm × 10 cm) = (0,1 m × 0,1 m × 0,1 m) = 10^-3 m³, sunt 1.000 de litri într-un metru cub. Acest lucru înseamnă că un recipient fără formă de cub fără masă de 1 m pe fiecare parte ar putea ține 1.000 kg = 2.204 kilograme de apă, mai mult de o tonă. Amintiți-vă, un metru are doar aproximativ trei metri și un sfert; apa este poate „mai groasă” decât crezi!

Distribuția in masă neuniformă vs. uniformă

Cele mai multe obiecte din lumea naturală au masa lor răspândită inegal în tot spațiul pe care îl ocupă. Un corp propriu este un exemplu; Îți poți determina masa cu ușurință relativă folosind o scară de zi cu zi și, dacă ai avea echipamentul potrivit, poți să îți determini volumul de corp, scufundându-te într-o cadă cu apă și folosind principiul Arhimede.

Dar știți că unele părți sunt mult mai dense decât altele (de exemplu, de os sau de grăsime), deci există variație locală în densitate.

Unele obiecte pot avea o compoziție uniformă și, prin urmare, densitate uniformă, în ciuda faptului că este format din două sau mai multe elemente sau compuși. Acest lucru poate apărea în mod natural sub formă de anumiți polimeri, dar este probabil să fie o consecință a unui proces de fabricație strategic, de exemplu, cadre pentru biciclete din fibră de carbon.

Aceasta înseamnă că, spre deosebire de cazul unui corp uman, veți obține un eșantion de material cu aceeași densitate, indiferent de locul în care l-ați extras sau de cât de mic. În termeni de rețetă, este „complet amestecat”.

Densitatea materialelor compozite

Densitatea simplă a masei de materiale compozitesau materiale realizate din două sau mai multe materiale distincte, cu densități individuale cunoscute, pot fi prelucrate folosind un proces simplu.

De exemplu, să spunem că vi se administrează 100 ml de lichid care este 40% apă, 30% mercur și 30 la sută benzină. Care este densitatea amestecului?

Știți că pentru apă, ρ = 1,0 g / ml. Consultați tabelul, aflați că ρ = 13,5 g / ml pentru mercur și ρ = ​​0,66 g / ml pentru benzină. (Acest lucru ar face o concoacție foarte toxică, pentru evidență.) Urmând procedura de mai sus:

(0,40) (1,0) + (0,30) (13,5) + (0,30) (0,66) = 4,65 g / ml.

Densitatea ridicată a contribuției mercurilor crește densitatea totală a amestecului cu mult peste cea a apei sau a benzinei.

Modul elastic

În unele cazuri, spre deosebire de situația anterioară în care se urmărește doar o densitate adevărată, regula amestecului pentru compozitele de particule înseamnă ceva diferit. Este o preocupare inginerească care se referă la rezistența generală la stres a unei structuri liniare, cum ar fi un fascicul cu rezistența individului său fibră și matrice elementele constitutive, ca astfel de obiecte sunt adesea proiectate strategic pentru a se conforma anumitor cerințe portante.

Aceasta este adesea exprimată în termenii parametrului cunoscut sub numele de modul elastic E (numit si Modulul pentru tineri, sau modul de elasticitate). Calculul modulului elastic al materialelor compozite este destul de simplu din punct de vedere algebric. În primul rând, căutați valorile individuale pentru E al unui dintr-un tabel precum cel din Resurse. Cu volumele V a fiecărei componente din eșantionul ales cunoscut, utilizați relația

E_C = E_F V_F + E_M V_M ,

Unde E_C este modulul amestecului și al abonamentelor F și M se referă la componente de fibre și matrice, respectiv.