Vaatleme artiklis, kuidas tihedust leida ja mis see on. Paljude konstruktsioonide ja sõidukite projekteerimisel võetakse arvesse mitmeid füüsilisi omadusi, mis konkreetsel materjalil peavad olema. Üks neist on tihedus.
Mass ja maht
Dešifreerige kahe sellega otseselt seotud füüsikalise suuruse tähendus – see on mass ja maht. Enne kui vastame küsimusele, kuidas leida tihedust.
Mass on tunnus, mis kirjeldab kehade inertsiaalseid omadusi ja nende võimet näidata üksteisele gravitatsioonilist külgetõmmet. Massi mõõdetakse SI-süsteemis kilogrammides.
Inertsiaalsete ja gravitatsiooniliste masside mõisted tutvustas füüsikas esmakordselt Isaac Newton, kui formuleeris mehaanika ja universaalse gravitatsiooni seadusi.
Maht on keha eranditult geomeetriline omadus, mis peegeldab kvantitatiivselt ruumi osa, mille see hõivab. Mahtu mõõdetakse pikkuse kuupühikutes, näiteks SI-s on see kuupmeetrites.
Teadaoleva kujuga kehadele(parallelepiped, pall, püramiid) seda väärtust saab määrata spetsiaalsete valemitega, ebakorrapärase geomeetrilise kujuga objektide puhul määratakse ruumala nende vedelikku kastmise teel.
Füüsikalise koguse tihedus
Nüüd saate minna otse vastuse juurde küsimusele, kuidas leida tihedust. See omadus määratakse kehamassi ja selle hõivatud mahu suhtega, mis on matemaatiliselt kirjutatud järgmiselt:
ρ=m/V.
See võrrand näitab ρ ühikuid (kg/m3). Seega on tihedus, mass ja ruumala seotud ühe võrdusega ning ρ väärtus mis tahes materjali puhul näitab selle massi mahukontsentratsiooni.
Toome lihtsa näite: kui võtta pihku ühesuurused plast- ja rauast kuulid, siis on teisel palju suurem kaal kui esimesel. See on tingitud raua suurest tihedusest võrreldes plasti omaga.
Üks peamisi tiheduste suhte ilminguid looduses on kehade ujuvus. Kui keha tihedus on väiksem kui vedelikul, siis see ei vaju sellesse kunagi.
Materjalide tihedus
Teatud materjalide tihedusest rääkides peavad need silmas tahkeid aineid. Ka gaasidel ja vedelikel on teatud tihedus, kuid me ei räägi neist siin.
Tahked materjalid võivad olla kas kristalsed või amorfsed. ρ väärtus sõltub materjalide struktuurist, aatomitevahelistest kaugustest ning aatom- ja molekulmassidest. Näiteks kõik metallid on kristallid ja klaas või puitamorfne struktuur. Allpool on tabel erinevate puiduliikide tiheduse kohta.
Pange tähele, et antud juhul on antud keskmine tihedus. Reaalses elus on igal puul ainulaadsed omadused, sealhulgas tühimikud, poorid ja teatud protsent niiskust puidus.
Allpool on veel üks tabel. Selles on toodud kõigi toatemperatuuril olevate puhaste keemiliste elementide tihedused g/cm3.
Tabelist on näha, et kõigi elementide tihedus on suurem kui vee tihedus. Erandiks on vaid kolm metalli – liitium, kaalium ja naatrium, mis ei vaju, vaid hõljuvad veepinnal.
Kuidas tihedust eksperimentaalselt mõõdetakse?
Tegelikult on uuritava tunnuse määramiseks kaks tehnikat. Esimene on keha otsene kaalumine ja selle lineaarsete mõõtmete mõõtmine.
Kui keha geomeetriline kuju on keeruline, siis kasutatakse nn hüdrostaatilist meetodit.
Selle olemus on järgmine: kõigepe alt kaaluge keha õhus. Oletame, et saadud kaal oli P1. Pärast seda kaalutakse keha vedelikus, mille tihedus on teada ρl. Olgu keha kaal vedelikus P2. Siis on uuritava materjali tiheduse ρ väärtus:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Selle valemi saab iga õpilane iseseisv alt hankida, kui arvestada Archimedese seadustkirjeldatud juhtumi jaoks.
Ajalooliselt on arvatud, et kreeka filosoof Archimedes kasutas esimest korda hüdrostaatilist kaalumist võltsitud kuldkrooni määramiseks. Esimesed hüdrostaatilised kaalud leiutas Galileo Galilei 16. sajandi lõpus. Praegu kasutatakse vedelike, tahkete ainete ja gaaside ρ väärtuse eksperimentaalseks määramiseks laialdaselt elektroonilisi püknomeetreid ja tihedusmõõtureid.
Tiheduse teoreetiline määratlus
Küsimust, kuidas tihedust eksperimentaalselt leida, arutati eespool. Kuid see tundmatu materjali ρ on teoreetiliselt leitav. Selleks on vaja teada kristallvõre tüüpi, selle võre parameetreid, aga ka seda moodustavate aatomite massi. Kuna igal elementaarkristallvõrel on teatud geomeetriline kuju, on selle ruumala määramise valemit lihtne leida.
Kui kristalne materjal koosneb mitmest keemilisest elemendist, näiteks metallisulamitest, saab selle keskmise tiheduse määrata järgmise lihtsa valemiga:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Kus mi, ρi on vastav alt i-nda komponendi mass ja tihedus.
Kui materjalil on amorfne struktuur, siis teoreetiliselt ei ole võimalik selle tihedust täpselt määrata ning tuleb kasutada katsetehnikaid.
