Kako določiti gostoto trdnih materialov

Vsebina

• Kaj je gostota?
• Gostota v primerjavi s specifično težo
• Načelo Arhimeda
• Merjenje gostote trdnih snovi
• Kompozitna gostota trdnih snovi

Ko vidite ali slišite besedo gostota, če ste sploh seznanjeni s pojmom, vam najverjetneje prikliče slike "gneče": mestne ulice, napolnjene z džemami, ali nenavadne debeline dreves v delu parka v vaši soseščini.

In v bistvu je tisto, na kar se nanaša gostota: koncentracija nečesa, s poudarkom ne na celotni količini česar koli na sceni, temveč na količini, ki je bila razporejena v razpoložljivi prostor.

Gostota je kritični koncept v svetu fizikalnih znanosti. Ponuja način za povezavo osnovnega zadeva - stvari vsakdanjega življenja, ki jih običajno (vendar ne vedno) vidimo in občutimo ali jih vsaj nekako zajamemo pri meritvah v laboratorijskem okolju - v osnovni prostor, sam okvir, ki ga uporabljamo za navigacijo po svetu. Različne vrste snovi na Zemlji imajo lahko zelo različne gostote, tudi znotraj področja same trdne snovi.

Merjenje gostote trdnih snovi se izvaja po metodah, ki se razlikujejo od metod, ki se uporabljajo pri določanju gostote tekočin in plinov. Najbolj natančen način merjenja gostote je pogosto odvisen od eksperimentalne situacije in od tega, ali vaš vzorec vključuje samo eno vrsto snovi (materiala) z znanimi fizikalnimi in kemijskimi lastnostmi ali več vrst.

Kaj je gostota?

V fiziki je dr. gostota vzorca materiala je le skupna masa vzorca, deljena z njegovo prostorninone glede na to, kako se porazdeljuje snov v vzorcu (zaskrbljenost, ki vpliva na mehanske lastnosti zadevne trdne snovi).

Primer nečesa, ki ima predvideno gostoto v določenem območju, hkrati pa ima močno različne vrednosti gostote, je človeško telo, ki ga sestavlja bolj ali manj fiksno razmerje med vodo, kostmi in drugimi vrstami tkiva.

Gostota in masa sta pogosto zamenjena utež, čeprav iz morda drugačnih razlogov. Teža je preprosto sila, ki izhaja iz pospeška gravitacije, ki deluje na snov ali maso: F = mg. Na Zemlji ima pospešek zaradi gravitacije vrednost 9,8 m / s². A maša od 10 kg ima torej a utež od (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newtonov (N).

Tudi teža je zmedena z gostoto, iz preprostega razloga, ker bosta dva predmeta enake velikosti tehtala več. To je osnova za vprašanje starega trika: "Kateri tehta več, kilogram perja ali kilogram svinca?" Ne glede na to je kilogram funt, ključno pri tem pa je, da bo kilogram perja zavzel veliko več prostora kot funt svinca, ker ima veliko večjo gostoto.

Gostota v primerjavi s specifično težo

Izraz fizika, tesno povezan z gostoto, je specifična težnost (SG). To je samo gostota danega materiala, deljena z gostoto vode. Gostota vode je določena na točno 1 g / ml (ali enakovredno 1 kg / L) pri normalni sobni temperaturi, 25 ° C. To je zato, ker je že sama opredelitev litra v enotah SI (mednarodni sistem ali "metrični") količina vode, ki ima maso 1 kg.

Na prvi pogled se zdi, da bi SG pomenil precej trivialni podatek: Zakaj deliti z 1? V resnici sta dva razloga. Eno je, da se gostota vode in drugih materialov nekoliko razlikuje glede na temperaturo, tudi v območju sobne temperature, zato je treba, kadar so potrebne natančne meritve, upoštevati to spremembo, ker je vrednost ρ odvisna od temperature.

Tudi medtem, ko ima gostota enote g / ml ali podobno, je SG neprimerljiv, ker je le gostota, deljena z gostoto. Dejstvo, da je ta količina zgolj stalnica, nekatere izračune, ki vključujejo gostoto, olajša.

Načelo Arhimeda

Morda je največja praktična uporaba gostote trdnih materialov Načelo Arhimeda, ki ga je pred tisočletji odkril istoimenski grški učenjak. To načelo trdi, da je predmet, kadar je trden predmet postavljen v tekočino, podvržen mreži navzgor plovna sila enako utež izpodrinjene tekočine.

Ta sila je enaka, ne glede na njen vpliv na predmet, ki bi ga lahko potisnili proti površini (če je gostota predmeta manjša kot gostota tekočine), omogoči, da lebdi popolnoma na svojem mestu (če je gostota predmet je popolnoma enak gostoti tekočine) ali dovolite, da se potopi (če je gostota predmeta večja od gostote tekočine).

Simbolično je to načelo izraženo kot F_B = W_f, kje F_B je plovna sila in W_f je teža izpodrinjene tekočine.

Merjenje gostote trdnih snovi

Od različnih metod, ki se uporabljajo za določanje gostote trdnega materiala, hidrostatično tehtanje je prednostna, ker je najbolj natančna, če ne najbolj priročna. Večina trdnih materialov, ki nas zanimajo, ni v obliki čednih geometrijskih oblik z lahko izračunanimi količinami, kar zahteva posredno določanje prostornine.

To je eno izmed mnogih življenjskih področij, ki mu je v pomoč načelo Arhimeda. Tema se tehta tako v zraku kot v tekočini z znano gostoto (voda je očitno koristna izbira). Če predmet z "zemeljsko" maso 60 kg (Š = 588 N) izpodrine 50 L vode, ko je potopljen za tehtanje, mora biti njegova gostota 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Če bi v tem primeru želeli obdržati obešen objekt gostejši od vode, tako da poleg vzgonske sile pritisnete še navzgor silo, kakšna bi bila velikost te sile? Izračunate samo razliko med težo izpodrinene vode in težo predmeta: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

Kompozitna gostota trdnih snovi

Včasih se vam predstavi predmet, ki vsebuje več vrst materiala, vendar za razliko od primera človeškega telesa te materiale vsebuje enakomerno porazdeljen način. Če bi vzeli majhen vzorec materiala, bi imelo enako razmerje med materialom A in materialom B kot celoten predmet.

Ena od teh situacij je v gradbeništvu, kjer so tramovi in ​​drugi nosilni elementi pogosto izdelani iz dveh vrst materiala: matrice (M) in vlakna (F). Če imate vzorec tega žarka, sestavljen iz znanega razmerja volumna teh dveh elementov in poznate njihove posamezne gostote, lahko izračunate gostoto kompozita (ρ_C) z naslednjo enačbo:

ρ_C = ρ_FV_F + ρ_MV_M,

Kjer ρ_F in ρ_M in V_F in Vm sta gostota in volumski delež (t.j. odstotek žarka, sestavljenega iz vlaken ali matrice, preračunano v decimalno število) vsake vrste materiala.

Primer: 1000-mililitrski vzorec skrivnostnega predmeta vsebuje 70 odstotkov skalnega materiala z gostoto 5 g / ml in 30 odstotkov gela podobnega materiala z gostoto 2 g / ml. Kakšna je gostota predmeta (sestavljena)?

ρ_C = ρ_RV_R + ρ_GV_G = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.