Conţinut
- Ce este densitatea?
- Densitate vs. gravitație specifică
- Principiul Arhimede
- Măsurarea densității solidelor
- Densitatea compozită a solidelor
Când vezi sau auzi cuvântul densitate, dacă cunoașteți termenul deloc, cel mai probabil vă invocă în minte imagini de „aglomerație”: străzi de oraș pline de blocaje, să zicem, sau grosimea neobișnuită a copacilor dintr-o parte a unui parc din cartierul dvs.
Și, în esență, la ce se referă densitatea: o concentrare a ceva, cu accent nu pe cantitatea totală de nimic din scenă, ci cât a fost distribuit în spațiul disponibil.
Densitatea este un concept critic în lumea științelor fizice. Oferă o modalitate de a relaționa de bază conteaza - lucrurile din viața de zi cu zi care pot fi văzute și simțite (sau nu întotdeauna) sau cel puțin cumva surprinse în măsurători într-un cadru de laborator - la spațiul de bază, chiar cadrul pe care îl folosim pentru navigarea în lume. Diferite tipuri de materie pe Pământ pot avea densități foarte diferite, chiar și pe tărâmul materiei solide.
Măsurarea densității solidelor se efectuează folosind metode diferite de cele utilizate în evaluarea densităților lichidelor și gazelor. Cel mai precis mod de a măsura densitatea depinde adesea de situația experimentală și de faptul dacă eșantionul dvs. include doar un tip de materie (material) cu proprietăți fizice și chimice cunoscute sau tipuri multiple.
Ce este densitatea?
În fizică, densitatea unui eșantion de material este doar masa totală a eșantionului împărțit la volumul săuindiferent de modul în care este distribuită materia din eșantion (o problemă care afectează proprietățile mecanice ale solidului în cauză).
Un exemplu de ceva care are o densitate previzibilă într-un interval dat, dar care, de asemenea, are niveluri de densitate foarte variate în întreaga lume, este corpul uman, care este format dintr-un raport mai mult sau mai puțin fix de apă, os și alte tipuri de țesut.
Densitatea și masa sunt adesea confundate cu greutate, deși din motive probabil diferite. Greutatea este pur și simplu forța rezultată din accelerația gravitației care acționează asupra materiei sau a masei: F = mg. Pe Pământ, accelerația datorată gravitației are valoarea de 9,8 m / s2. A masa de 10 kg are astfel un greutate de (10 kg) (9,8 m / s2) = 98 Newtoni (N).
Greutatea în sine este, de asemenea, confundată cu densitatea, din simplul motiv că, dat fiind două obiecte de aceeași dimensiune, cel cu o densitate mai mare, de fapt, va cântări mai mult. Aceasta este baza pentru vechea întrebare truc, „Care cântărește mai mult, un kilogram de pene sau un kilogram de plumb?” O liră este o liră indiferent de materie, dar cheia aici este că lira de pene va ocupa mult mai mult spațiu decât o livră de plumb din cauza unei densități mult mai mari.
Densitate vs. gravitație specifică
Un termen de fizică strâns legat de densitate este gravitație specifică (SG). Aceasta este doar densitatea unui material dat, împărțită la densitatea apei. Densitatea apei este definită a fi exact 1 g / ml (sau echivalent, 1 kg / L) la temperatura normală a camerei, 25 ° C. Acest lucru se datorează faptului că însăși definiția unui litru în unități SI (sistem internațional sau „metrice”) este cantitatea de apă care are o masă de 1 kg.
La suprafață, atunci, acest lucru pare să facă din SG o informație destul de banală: De ce să împărțiți cu 1? De fapt, există două motive. Unul este că densitatea apei și a altor materiale variază ușor cu temperatura chiar și în intervalele de temperatură ale camerei, așa că atunci când sunt necesare măsurători precise, această variație trebuie să fie luată în considerare, deoarece valoarea ρ depinde de temperatură.
De asemenea, în timp ce densitatea are unități de g / ml sau altele asemenea, SG este fără unitate, deoarece este doar o densitate împărțită la o densitate. Faptul că această cantitate este doar o constantă face mai ușoare unele calcule care implică densitatea.
Principiul Arhimede
Poate că cea mai mare aplicare practică a densității materialelor solide se află Principiul Arhimede, descoperit acum milenii de un savant grec cu același nume. Acest principiu afirmă că, atunci când un obiect solid este plasat într-un fluid, obiectul este supus unei nete în sus forta flotanta egală cu greutate a lichidului deplasat.
Această forță este aceeași indiferent de efectul său asupra obiectului, care ar putea fi împingerea acesteia către suprafață (dacă densitatea obiectului este mai mică decât cea a fluidului), permiteți-l să plutească perfect în loc (dacă densitatea obiectul este exact egal cu cel al fluidului) sau lăsați-l să se scufunde (dacă densitatea obiectului este mai mare decât cea a fluidului).
Simbolic, acest principiu este exprimat ca: FB = Wf, Unde FB este forța flotantă și Wf este greutatea fluidului deplasat.
Măsurarea densității solidelor
Dintre diferitele metode utilizate pentru a determina densitatea unui material solid, cântărire hidrostatică este preferatul, deoarece este cel mai precis, dacă nu cel mai convenabil. Majoritatea materialelor solide de interes nu sunt sub formă de forme geometrice îngrijite, cu volume ușor de calculat, necesitând o determinare indirectă a volumului.
Aceasta este una dintre numeroasele planuri de viață pe care principiul Arhimede îi vine la îndemână. Un subiect este cântărit atât în aer cât și într-un fluid cu densitate cunoscută (apa fiind, evident, o alegere utilă). Dacă un obiect cu o masă „teren” de 60 kg (W = 588 N) deplasează 50 L de apă atunci când este cufundat pentru cântărire, densitatea sa trebuie să fie de 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.
Dacă, în acest exemplu, ați dori să mențineți acest obiect mai dens decât apa, suspendat pe loc aplicând o forță ascendentă în plus față de forța flotantă, care ar fi magnitudinea acestei forțe? Doar calculați diferența dintre greutatea apei deplasate și greutatea obiectului: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s2) = 98 N.
Densitatea compozită a solidelor
Uneori vi se prezintă un obiect care conține mai mult de un tip de material, dar spre deosebire de exemplul corpului uman, conține aceste materiale într-un mod distribuit uniform. Adică, dacă ați lua un eșantion minuscul de material, acesta ar avea același raport între materialul A și materialul B ca întregul obiect.
O situație în care aceasta se întâmplă este în inginerie structurală, unde grinzile și alte elemente de susținere sunt adesea formate din două tipuri de materiale: matrice (M) și fibră (F). Dacă aveți un eșantion din acest fascicul format dintr-un raport de volum cunoscut al acestor două elemente și cunoașteți densitățile individuale ale acestora, puteți calcula densitatea compozitului (ρC) folosind următoarea ecuație:
ρC = ρFVF + ρMVM,
Unde ρF și ρM și VF și Vm sunt densitățile și fracțiile de volum (adică, procentul fasciculului format din fibră sau matrice, convertit într-un număr zecimal) din fiecare tip de material.
Exemplu: Un eșantion de 1.000 ml de obiect mister conține 70% material material stâncos cu o densitate de 5 g / ml și 30% material asemănător cu gel, cu o densitate de 2 g / mL. Care este densitatea obiectului (compozit)?
ρC = ρRVR + ρGVG = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.