Hur man fastställer densiteten hos fasta material

Innehåll

• Vad är täthet?
• Densitet kontra specifik tyngdkraft
• Archimedes princip
• Täthetsmätning av fasta ämnen
• Kompositdensitet av fasta ämnen

När du ser eller hör ordet densitet, om du är bekant med termen alls, kallar det troligen upp dina tankar bilder av "trångt ness": stadsfyllda stadsgator, säger, eller den ovanliga tjockleken på träden i en del av en park i ditt område.

Och i huvudsak, det är vad tätheten hänvisar till: en koncentration av något, med betoning inte på den totala mängden av något i scenen utan hur mycket som har distribuerats till det tillgängliga utrymmet.

Densitet är ett kritiskt begrepp i den fysiska vetenskapsvärlden. Det erbjuder ett sätt att relatera grundläggande fråga - de saker i vardagen som vanligtvis (men inte alltid) kan ses och kännas eller åtminstone på något sätt fångas i mätningar i en laboratorieinställning - till grundutrymmet, själva ramen som vi använder för att navigera i världen. Olika slags ämnen på jorden kan ha väldigt olika tätheter, även inom området fast material.

Densitetsmätningen av fasta ämnen utförs med användning av olika metoder än de som används vid analys av vätskor och gasers densiteter. Det mest exakta sättet att mäta densitet beror ofta på försökssituationen och om ditt prov bara innehåller en typ av material (material) med kända fysikaliska och kemiska egenskaper eller flera typer.

Vad är täthet?

I fysik, tätheten hos ett provmaterial är bara provets totala massa dividerat med dess volym, oavsett hur materialet i provet distribueras (ett problem som påverkar de mekaniska egenskaperna hos det aktuella fasta ämnet).

Ett exempel på något som har en förutsägbar densitet inom ett visst intervall, men som också har väldigt varierande nivåer av densitet i hela kroppen, är människokroppen, som består av ett mer eller mindre fast förhållande mellan vatten, ben och andra vävnadstyper.

Täthet och massa förväxlas ofta med viktäven om det kanske av olika skäl. Vikt är helt enkelt den kraft som är resultatet av tyngdkraften som påverkar materien eller massan: F = mg. På jorden har accelerationen på grund av tyngdkraften värdet 9,8 m / s². EN massa på 10 kg har således en vikt av (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newton (N).

Vikten i sig förväxlas också med densitet, av det enkla skälet att med tanke på två objekt av samma storlek, den med en högre densitet faktiskt kommer att väga mer. Detta är grunden för den gamla trickfrågan, "Vilken väger mer, ett kilo fjädrar eller ett kilo bly?" Ett pund är ett pund oavsett vad, men nyckeln här är att fjädrarna tar mycket mer utrymme än ett kilo bly på grund av bly som är mycket större täthet.

Densitet kontra specifik tyngdkraft

En fysik term som är nära besläktad med densitet är Specifik gravitation (SG). Detta är bara densiteten för ett givet material dividerat med vattentätheten. Vattentätheten definieras vara exakt 1 g / ml (eller motsvarande 1 kg / L) vid normal rumstemperatur, 25 ° C. Detta beror på att själva definitionen av en liter i SI (internationella system, eller "metriska") enheter är mängden vatten som har en massa på 1 kg.

På ytan verkar detta då göra SG till en ganska triviell information: Varför dela med 1? Det finns faktiskt två skäl. Den ena är att tätheten för vatten och andra material varierar något med temperaturen även inom rumstemperaturintervall, så när exakta mätningar behövs måste denna variation beaktas eftersom värdet på ρ är temperaturberoende.

Även om densitet har enheter av g / ml eller liknande är SG enhetlöst, eftersom det bara är en densitet dividerad med en densitet. Det faktum att denna kvantitet bara är en konstant gör vissa beräkningar som involverar densitet lättare.

Archimedes princip

Kanske ligger den största praktiska tillämpningen av densiteten hos fasta material i Archimedes-principen, upptäckte årtusenden sedan av en grekisk forskare med samma namn. Denna princip hävdar att när ett fast föremål placeras i en vätska, är föremålet utsatt för ett nät uppåt flytande kraft lika med vikt av den förskjutna vätskan.

Denna kraft är densamma oavsett dess effekt på föremålet, vilket kan vara att trycka det mot ytan (om föremålets densitet är mindre än vätskans), låt det flyta perfekt på plats (om densiteten för föremålet är exakt lika med vätskans) eller låt det sjunka (om föremålets densitet är större än vätskans).

Symboliskt uttrycks denna princip som F_B = W_f, var F_B är den flytande kraften och W_f är vikten av förskjuten vätska.

Täthetsmätning av fasta ämnen

Av de olika metoderna som används för att bestämma densiteten för ett fast material, hydrostatisk vägning är den föredragna eftersom den är den mest exakta, om inte den mest praktiska. De flesta fasta material av intresse är inte i form av snygga geometriska former med lätt beräknade volymer, vilket kräver en indirekt bestämning av volymen.

Detta är en av de många samhällsskikt som Archimedes-principen är praktiskt. Ett subjekt vägs i både luft och i en vätska med känd densitet (vatten är uppenbarligen ett användbart val). Om ett föremål med en "land" -massa på 60 kg (W = 588 N) förskjuter 50 L vatten när det är nedsänkt för vägning, måste densiteten vara 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Om du i detta exempel önskade hålla detta tätare än vattenföremål hängande på plats genom att tillämpa en uppåtgående kraft utöver den flytande kraften, vad skulle storleken på denna kraft vara? Du beräknar bara skillnaden mellan vikten på fördrivet vatten och objektets vikt: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

Kompositdensitet av fasta ämnen

Ibland får du ett objekt som innehåller mer än en typ av material, men till skillnad från människokroppens exempel, innehåller dessa material på ett enhetligt fördelat sätt. Det vill säga, om du tog ett litet prov av materialet, skulle det ha samma förhållande mellan material A och material B som hela objektet gör.

En situation där detta inträffar är inom konstruktionsteknik, där balkar och andra stödelement ofta är tillverkade av två typer av material: matris (M) och fiber (F). Om du har ett prov av denna stråle som består av ett känt volymförhållande för dessa två element och känner till deras individuella densiteter, kan du beräkna kompositens densitet (ρ_C) med hjälp av följande ekvation:

ρ_C = ρ_FV_F + ρ_MV_M,

Var ρ_F och ρ_M och V_F och Vm är densiteterna och volymfraktionerna (dvs procenten av strålen bestående av fiber eller matris, omvandlad till ett decimaltal) för varje typ av material.

Exempel: Ett 1000 ml prov av ett mysteriumobjekt innehåller 70 procent stenigt material med en densitet av 5 g / ml och 30 procent gelliknande material med en densitet på 2 g / ml. Vad är objektets densitet (komposit)?

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.