Katı Malzemelerin Yoğunluğu Nasıl Belirlenir

İçerik

• Yoğunluk Nedir?
• Yoğunluk ve Özgül Ağırlık
• Arşimet Prensibi
• Katıların Yoğunluk Ölçümü
• Katıların Bileşik Yoğunluğu

Kelimeyi gördüğünüzde veya duyduğunuzda yoğunluk, Bu terime aşina iseniz, muhtemelen "kalabalıklık" kavramını aklınıza getirir: reçel dolu şehir sokakları, diğeri veya mahallenizdeki bir parkın bir bölümündeki ağaçların olağandışı kalınlıkları.

Ve özünde, yoğunluğun ifade ettiği şey şudur: sahnedeki herhangi bir şeyin toplam miktarına değil, mevcut alana ne kadar dağıtıldığına vurgu yaparak bir şeyin yoğunlaşması.

Yoğunluk, fiziksel bilimler dünyasında kritik bir kavramdır. Temel ilişki kurmak için bir yol sunar Önemli olmak - Gündelik hayatın, genellikle (her zaman değil) görülebilen ve hissedilen veya en azından bir şekilde laboratuar ortamında yapılan ölçümlerde yakalandığı şeyler - temel alana, dünyayı dolaşmak için kullandığımız çerçeve. Yeryüzündeki farklı türdeki maddeler, yalnızca katı madde dünyasında bile, çok farklı yoğunluklara sahip olabilir.

Katıların yoğunluk ölçümü, sıvıların ve gazların yoğunluğunun test edilmesinde kullanılanlardan farklı yöntemler kullanılarak gerçekleştirilir. Yoğunluğu ölçmenin en doğru yolu genellikle deneysel duruma ve numunenizin bilinen fiziksel ve kimyasal özelliklere veya çok sayıda tipe sahip sadece bir tür madde (materyal) içerip içermediğine bağlıdır.

Yoğunluk Nedir?

Fizikte Bir malzeme numunesinin yoğunluğu, sadece numunenin toplam kütlesidir ve hacmine bölünür., numunedeki maddenin nasıl dağıldığına bakılmaksızın (söz konusu katının mekanik özelliklerini etkileyen bir endişe).

Belirli bir aralıkta öngörülebilir bir yoğunluğa sahip olan, ancak aynı zamanda büyük ölçüde değişken yoğunlukta olan bir şeye bir örnek, az çok sabit bir su, kemik ve diğer doku türlerinden oluşan insan vücududır.

Yoğunluk ve kütle hem sık sık karıştırılıyor ağırlık, belki de farklı nedenlerden dolayı. Ağırlık sadece madde veya kütle üzerine etki eden yerçekiminin hızlanmasından kaynaklanan kuvvettir: F = mg. Dünyada, yerçekimine bağlı ivme 9.8 m / s değerine sahiptir.². bir kitle 10 kg ağırlık (10 kg) (9.8 m / s)²) = 98 Newton (N).

Ağırlık aynı zamanda yoğunluk ile karıştırılmıştır, aynı büyüklükteki iki nesneye verilen basit nedenden ötürü, daha yüksek yoğunluklu olanı aslında daha ağır olacaktır. Bu eski numara sorusunun temeli, "Hangisi daha ağır, bir kilo tüy veya kurşun kilo?" Bir pound, ne olursa olsun bir pounddur, ancak buradaki anahtar, tüylerin poundunun, çok daha fazla yoğunluğa sahip olması nedeniyle, bir pound kurşundan çok daha fazla yer kaplayacağıdır.

Yoğunluk ve Özgül Ağırlık

Yoğunlukla yakından ilgili bir fizik terimi spesifik yer çekimi (SG). Bu sadece suyun yoğunluğuna bölünen belirli bir malzemenin yoğunluğudur. Suyun yoğunluğu normal oda sıcaklığında, 25 ° C'de tam olarak 1 g / mL (veya eşdeğeri, 1 kg / L) olarak tanımlanır. Bunun nedeni, SI (uluslararası sistem veya "metrik") birimlerinde litre tanımının 1 kg kütleye sahip su miktarı olmasıdır.

Öyleyse, bu durum, SG'yi oldukça önemsiz bir bilgi parçası haline getiriyor gibi görünüyor: Neden 1'e bölün ki? Aslında, iki sebep var. Birincisi, suyun ve diğer malzemelerin yoğunluğunun oda-sıcaklık aralıkları dahilinde bile sıcaklıkla biraz değişmesidir, bu nedenle kesin ölçümler gerektiğinde, ρ değerinin sıcaklığa bağlı olduğu için bu varyasyonun hesaba katılması gerekir.

Ayrıca, yoğunluk g / mL veya benzer birimlere sahipken, SG birimsizdir, çünkü sadece bir yoğunluğa bölünen bir yoğunluktur. Bu miktarın sadece sabit olması, yoğunluk içeren bazı hesaplamaları kolaylaştırır.

Arşimet Prensibi

Belki de katı madde yoğunluğunun en büyük pratik uygulaması Arşimed prensibi, aynı isimde bir Yunanlı bilgin tarafından bin yıl önce keşfedildi. Bu ilke, katı bir cisim bir sıvıya yerleştirildiğinde cismin yukarı doğru bir fileye maruz kaldığını iddia eder. kaldırma kuvveti eşit ağırlık yerinden edilmiş sıvının

Bu kuvvet, nesne üzerindeki etkisine bakılmaksızın, yüzeye doğru itmek olabilir (nesnenin yoğunluğu akışkanınkinden az ise), bunun tam olarak yerinde yüzmesini sağlar (yoğunluğu varsa) nesne tam olarak sıvınınkine eşittir) veya çökmesine izin verin (nesnenin yoğunluğu sıvınınkinden büyükse).

Sembolik olarak, bu ilke olarak ifade edilir. F_B = W_f, nerede F_B kaldırma kuvveti ve W_f yerinden edilen sıvının ağırlığıdır.

Katıların Yoğunluk Ölçümü

Bir katı maddenin yoğunluğunu belirlemek için kullanılan çeşitli yöntemlerden, hidrostatik tartı tercih edilir çünkü en uygun değilse, en doğru olanıdır. İlgilenilen katı maddelerin çoğu, dolaylı bir hacim belirlemesi gerektiren, kolayca hesaplanan hacimlerle temiz geometrik şekiller biçiminde değildir.

Bu, Arşimed prensibinin işe yaradığı birçok yaşam kesiminden biridir. Bir denek hem havada hem de bilinen yoğunlukta bir akışkanda tartılır (su, açık bir şekilde faydalı bir seçimdir). "Kara" kütlesi 60 kg (W = 588 N) olan bir nesne, tartı için daldırıldığında 50 L suyun yerini alırsa, yoğunluğu 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L olmalıdır.

Bu örnekte, kaldırma kuvvetine ek olarak yukarı doğru bir kuvvet uygulayarak bu sudan daha yoğun nesneyi yerinde asılı tutmak istiyorsanız, bu kuvvetin büyüklüğü ne olur? Sadece yerinden çıkarılan suyun ağırlığı ile nesnenin ağırlığı arasındaki farkı hesaplarsınız: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

Katıların Bileşik Yoğunluğu

Bazen, birden fazla malzeme türü içeren bir nesne sunulur, ancak insan vücudunun örneğinden farklı olarak, bu malzemeleri düzgün dağılmış bir şekilde içerir. Diğer bir deyişle, malzemenin küçük bir örneğini aldıysanız, bütün nesnenin yaptığı gibi, A maddesinin B maddesine oranı aynı olacaktır.

Bunun gerçekleştiği bir durum, kirişlerin ve diğer destekleme elemanlarının genellikle iki tür malzemeden yapıldığı yapısal mühendisliktedir: matris (M) ve elyaf (F). Bu iki elementin bilinen bir hacim oranından oluşan bir ışın demetine sahipseniz ve kendi yoğunluklarını biliyorsanız, kompozitin yoğunluğunu hesaplayabilirsiniz (ρ_C) aşağıdaki denklemi kullanarak:

ρ_C = ρ_FV_F + ρ_MV_M,

Ρ nerede_F ve ρ_M ve V_F ve Vm, her bir malzeme tipinin yoğunlukları ve hacim fraksiyonlarıdır (yani, fiber veya matriks içeren ışının yüzdesi).

Örnek: 1000 mL'lik bir gizemli cisim örneği, 5 g / mL yoğunluğa sahip yüzde 70 kayalık ve 2 g / mL yoğunluğa sahip yüzde 30 jel benzeri malzeme içerir. Nesnenin yoğunluğu nedir (kompozit)?

ρ_C = ρ_R,V_R, + ρ_G,V_G, = (5 g / mL) (0.70) + (2 g / mL) (0.30) = 3.5 + 0.6 = 4.1 g / mL.