Sisu
- Mis on tihedus?
- Tihedus vs erikaal
- Archimedese põhimõte
- Tahkete ainete tiheduse mõõtmine
- Tahkete ainete komposiittihedus
Kui näete või kuulete seda sõna tihedus, kui olete seda mõistet üldse tuttav, kutsub see teie arvates tõenäoliselt esile rahvarohke pildi: ütleme näiteks moosiga pakitud linnatänavaid või puude ebatavalist paksust teie naabruses asuvas pargiosas.
Ja sisuliselt tähendab see seda, millele tihedus viitab: millegi kontsentreerumist, rõhutamata mitte millegi üldist kogust stseenis, vaid seda, kui palju on olemasolevasse ruumi jaotunud.
Tihedus on füüsikaliste teaduste maailmas kriitiline mõiste. See pakub võimalust seostada põhilisi oluline - igapäevaelu värk, mida tavaliselt (kuid mitte alati) saab näha ja tunda või vähemalt laboratoorsetes mõõtmistes jäädvustada - põhiruumini, sellesse raamistikku, mida me maailmas navigeerimiseks kasutame. Erinevat tüüpi ainel Maal võib olla väga erinev tihedus, isegi ainuüksi tahke aine piirkonnas.
Tahkete ainete tiheduse mõõtmisel kasutatakse meetodeid, mis erinevad vedelike ja gaaside tiheduse määramisel kasutatud meetoditest. Tiheduse mõõtmise kõige täpsem viis sõltub sageli katsesituatsioonist ja sellest, kas teie proov sisaldab ainult üht tüüpi materjale (materjal), millel on teadaolevad füüsikalised ja keemilised omadused, või mitut tüüpi.
Mis on tihedus?
Füüsikas materjali proovi tihedus on lihtsalt proovi kogumass jagatud selle mahuga, sõltumata sellest, kuidas proovis aine jaotub (probleem, mis mõjutab kõnealuse tahke aine mehaanilisi omadusi).
Inimkeha, mis koosneb vee, luu ja muud tüüpi koe enam-vähem fikseeritud suhtest, on näide millestki, mille tihedus on ette nähtud vahemikus, kuid mille tiheduse tase on väga erinev.
Tihedus ja mass on mõlemad segamini kaal, ehkki erinevatel põhjustel. Kaal on lihtsalt ainele või massile mõjuv gravitatsiooni kiirendusest tulenev jõud: F = mg. Maal on raskusjõust tulenev kiirendus väärtus 9,8 m / s2. A mass 10 kg kaalul on seega a kaal (10 kg) (9,8 m / s2) = 98 njuutoni (N).
Kaal ise on segamini ka tihedusega, sel lihtsal põhjusel, et kahe ühesuuruse eseme korral kaalub kõrgema tihedusega objekt tegelikult rohkem. See on aluseks vanale trikkiküsimusele "Kumb kaalub rohkem, nael sulgi või nael pliid?" Nael on nael, ükskõik, kuid peamine on siin see, et sulgede nael võtab palju suurema ruumi kui nael plii, kuna plii on palju suurem.
Tihedus vs erikaal
Tihedusega tihedalt seotud füüsikatermin on erikaal (SG). See on lihtsalt antud materjali tihedus jagatud vee tihedusega. Vee tiheduseks loetakse täpselt 1 g / ml (või samaväärselt 1 kg / L) tavalisel toatemperatuuril 25 ° C. Selle põhjuseks on asjaolu, et liitri määratlus SI (rahvusvaheline süsteem või "meetermõõdustiku") ühikutes on vee kogus, mille mass on 1 kg.
Pinna pealt näib see muutvat SG-st üsna tühise teabe: Miks jagada 1-ga? Tegelikult on kaks põhjust. Üks on see, et vee ja muude materjalide tihedus varieerub temperatuuriga veidi isegi toatemperatuuri piires, nii et kui on vaja täpseid mõõtmisi, tuleb seda varieerumist arvesse võtta, kuna ρ väärtus sõltub temperatuurist.
Samuti, kuigi tihedusel on ühikud g / ml vms, on SG ühikuteta, kuna see on lihtsalt tihedus jagatud tihedusega. Fakt, et see kogus on lihtsalt konstant, muudab mõned tiheduse arvutused hõlpsamaks.
Archimedese põhimõte
Võib-olla seisneb tahkete materjalide tiheduse suurim praktiline rakendamine Archimedese põhimõte, mille avastas aastatuhandeid tagasi samanimeline Kreeka teadlane. See põhimõte kinnitab, et kui tahke objekt pannakse vedelikku, siis on objekt võrguga ülespoole suunatud ujuv jõud võrdne kaal ümberasustatud vedeliku kogus.
See jõud on sama, olenemata selle mõjust esemele, mis võib olla selle surumine pinna poole (kui objekti tihedus on väiksem kui vedeliku tihedus), laske sellel ujuda ideaalselt oma kohale (kui tihedus objekt on täpselt võrdne vedeliku omaga) või laske sellel vajuda (kui eseme tihedus on suurem kui vedelikul).
Sümboolselt väljendatakse seda põhimõtet järgmiselt: FB = Wf, kus FB on ujuv jõud ja Wf on nihutatud vedeliku mass.
Tahkete ainete tiheduse mõõtmine
Tahke materjali tiheduse määramiseks kasutatud erinevatest meetoditest hüdrostaatiline kaalumine on eelistatud, kuna see on kõige täpsem, kui mitte kõige mugavam. Enamik huvipakkuvaid tahkeid materjale ei ole hõlpsasti arvutatavate mahtudega geomeetriliste kujundite kujul, mis nõuavad mahu kaudset määramist.
See on üks paljudest elualadest, millest Archimedese põhimõte kasu tuleb. Katsealust kaalutakse nii õhus kui ka teada oleva tihedusega vedelikus (vesi on ilmselgelt kasulik valik). Kui objekt, mille "maapinna" mass on 60 kg (W = 588 N), tõrjub kaalumiseks sukeldudes 50 L vett, peab selle tihedus olema 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.
Kui soovite selles näites hoida veest tihedamat eset riputatuna paigal, rakendades lisaks ujuvale jõule ka ülespoole suunatud jõudu, siis milline oleks selle jõu suurus? Te arvutate lihtsalt vee ja eseme massi erinevuse: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s2) = 98 N.
Tahkete ainete komposiittihedus
Mõnikord esitatakse teile objekt, mis sisaldab rohkem kui ühte tüüpi materjale, kuid erinevalt inimkeha näitest sisaldab neid materjale ühtlaselt. See tähendab, et kui te võtaksite materjalist pisikese proovi, oleks sellel materjali A ja materjali B suhe sama kui kogu objektil.
Üks olukord, kus see juhtub, on ehitustehnikas, kus talad ja muud tugielemendid on sageli valmistatud kahte tüüpi materjalist: maatriksist (M) ja kiust (F). Kui teil on selle tala proov, mis koosneb nende kahe elemendi teadaolevast mahu suhtest, ja teate nende individuaalseid tihedusi, saate arvutada komposiidi tiheduse (ρC) kasutades järgmist võrrandit:
ρC = ρFVF + ρMVM,
Kus ρF ja ρM ja VF ja Vm on igat tüüpi materjalide tihedused ja ruumalafraktsioonid (st kiust või maatriksist koosneva tala protsent, teisendatud kümnendkohaks).
Näide: 1000-ml müsteeriumiobjekti proov sisaldab 70 protsenti kivist materjali tihedusega 5 g / ml ja 30 protsenti geelilaadset materjali tihedusega 2 g / ml. Milline on objekti (komposiit) tihedus?
ρC = ρRVR + ρGVG = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.