Zastanówmy się w artykule, jak znaleźć gęstość i co to jest. W projektowaniu wielu konstrukcji i pojazdów bierze się pod uwagę szereg cech fizycznych, które musi posiadać dany materiał. Jednym z nich jest gęstość.
Masa i objętość
Odszyfruj znaczenie dwóch wielkości fizycznych, które są z nim bezpośrednio związane - to jest masa i objętość. Zanim odpowiemy na pytanie, jak znaleźć gęstość.
Masa to cecha opisująca bezwładnościowe właściwości ciał i ich zdolność do wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Masa jest mierzona w kilogramach w układzie SI.
Koncepcje mas bezwładnościowych i grawitacyjnych zostały po raz pierwszy wprowadzone do fizyki przez Isaaca Newtona podczas formułowania praw mechaniki i uniwersalnej grawitacji.
Objętość jest wyłącznie geometryczną cechą ciała, która ilościowo odzwierciedla zajmowaną przez nie część przestrzeni. Objętość jest mierzona w jednostkach sześciennych długości, na przykład w SI jest to metry sześcienne.
Dla ciał o znanym kształcie(równoległościan, kula, piramida) wartość tę można określić za pomocą specjalnych wzorów, dla obiektów o nieregularnym kształcie geometrycznym objętość określa się zanurzając je w cieczy.
Fizyczna gęstość ilościowa
Teraz możesz przejść bezpośrednio do odpowiedzi na pytanie, jak znaleźć gęstość. Ta cecha jest określona przez stosunek masy ciała do zajmowanej przez nie objętości, który matematycznie zapisuje się w następujący sposób:
ρ=m/V.
Ta równość pokazuje jednostki ρ (kg/m3). Zatem gęstość, masa i objętość są powiązane pojedynczą równością, a wartość ρ dla dowolnego materiału pokazuje stężenie objętościowe jego masy.
Podajmy prosty przykład: jeśli weźmiesz do ręki plastikowe i żelazne kulki tego samego rozmiaru, to druga będzie miała znacznie większą wagę niż pierwsza. Fakt ten wynika z dużej gęstości żelaza w porównaniu z plastikiem.
Jednym z głównych przejawów stosunku gęstości w przyrodzie będzie pływalność ciał. Jeśli ciało ma mniejszą gęstość niż płyn, to nigdy się w nim nie zatonie.
Gęstość materiałów
Gdy mówimy o gęstości niektórych materiałów, mają na myśli ciała stałe. Gazy i ciecze również mają określoną gęstość, ale nie będziemy o nich tutaj mówić.
Materiały stałe mogą być krystaliczne lub amorficzne. Wartość ρ zależy od struktury, odległości międzyatomowych oraz mas atomowych i cząsteczkowych materiałów. Na przykład wszystkie metale są kryształami, a szkło lub drewno mająstruktura amorficzna. Poniżej znajduje się tabela gęstości różnych gatunków drewna.
Proszę zauważyć, że w tym przypadku podana jest średnia gęstość. W prawdziwym życiu każde drzewo ma unikalne cechy, w tym puste przestrzenie, pory i obecność określonego procentu wilgoci w drewnie.
Poniżej znajduje się kolejny stół. W nim, w g/cm3podano gęstości wszystkich czystych pierwiastków chemicznych, które są w temperaturze pokojowej.
Z tabeli widać, że wszystkie pierwiastki mają gęstość większą niż gęstość wody. Wyjątkiem są tylko trzy metale - lit, potas i sód, które nie toną, ale unoszą się na powierzchni wody.
Jak mierzy się gęstość doświadczalnie?
W rzeczywistości istnieją dwie techniki określania badanej cechy. Pierwszym z nich jest bezpośrednie zważenie ciała i zmierzenie jego wymiarów liniowych.
Jeżeli kształt geometryczny jest skomplikowany, stosuje się tzw. metodę hydrostatyczną.
Jego istota jest następująca: najpierw zważ ciało w powietrzu. Załóżmy, że wynikowa waga to P1. Następnie ciało jest ważone w cieczy o znanej gęstości ρl. Niech waga ciała w cieczy wynosi P2. Wtedy wartość gęstości ρ badanego materiału będzie wynosić:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Tę formułę może uzyskać każdy uczeń samodzielnie, jeśli weźmie pod uwagę prawo Archimedesadla opisanego przypadku.
Historycznie uważa się, że po raz pierwszy ważenie hydrostatyczne zostało użyte przez greckiego filozofa Archimedesa do określenia fałszywej złotej korony. Pierwsze wagi hydrostatyczne zostały wynalezione przez Galileo Galilei pod koniec XVI wieku. Obecnie do eksperymentalnego wyznaczania wartości ρ w cieczach, ciałach stałych i gazach szeroko stosowane są elektroniczne piknometry i gęstościomierze.
Teoretyczna definicja gęstości
Pytanie, jak znaleźć eksperymentalnie gęstość, zostało omówione powyżej. Jednak to ρ nieznanego materiału można znaleźć teoretycznie. Aby to zrobić, konieczne jest poznanie rodzaju sieci krystalicznej, parametrów tej sieci, a także masy tworzących ją atomów. Ponieważ każda elementarna sieć krystaliczna ma określony kształt geometryczny, łatwo jest znaleźć wzór na określenie jej objętości.
Jeżeli materiał krystaliczny składa się z kilku pierwiastków chemicznych, takich jak stopy metali, jego średnią gęstość można określić za pomocą następującego prostego wzoru:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Gdzie mi, ρi są odpowiednio masą i gęstością i-tego składnika.
Jeżeli materiał ma strukturę amorficzną, teoretycznie nie będzie możliwe dokładne określenie jego gęstości i należy zastosować techniki eksperymentalne.
