Podívejme se v článku na to, jak zjistit hustotu a co to je. Při navrhování mnoha konstrukcí a vozidel se bere v úvahu řada fyzikálních vlastností, které musí mít konkrétní materiál. Jedním z nich je hustota.
Hmotnost a objem
Dešifrujte význam dvou fyzikálních veličin, které s tím přímo souvisejí – to je hmotnost a objem. Než odpovíme na otázku, jak zjistit hustotu.
Hmotnost je charakteristika, která popisuje inerciální vlastnosti těles a jejich schopnost vykazovat k sobě gravitační přitažlivost. Hmotnost se měří v kilogramech v soustavě SI.
Koncepty setrvačných a gravitačních hmotností poprvé zavedl do fyziky Isaac Newton, když formuloval zákony mechaniky a univerzální gravitace.
Objem je výlučně geometrická charakteristika těla, která kvantitativně odráží část prostoru, který zabírá. Objem se měří v kubických jednotkách délky, například v SI je to metry krychlové.
Pro těla známého tvaru(rovnoběžník, koule, pyramida) tuto hodnotu lze určit speciálními vzorci, u předmětů nepravidelného geometrického tvaru se objem určí ponořením do kapaliny.
Hustota fyzického množství
Nyní můžete přejít přímo k odpovědi na otázku, jak zjistit hustotu. Tato charakteristika je určena poměrem tělesné hmotnosti k objemu, který zaujímá, což je matematicky zapsáno následovně:
ρ=m/V.
Tato rovnost ukazuje jednotky ρ (kg/m3). Hustota, hmotnost a objem jsou tedy spojeny jedinou rovností a hodnota ρ pro jakýkoli materiál ukazuje objemovou koncentraci jeho hmotnosti.
Uveďme si jednoduchý příklad: vezmete-li do ruky plastové a železné koule stejné velikosti, pak bude mít druhá mnohem větší váhu než ta první. Tato skutečnost je způsobena vysokou hustotou železa ve srovnání s hustotou plastu.
Jedním z hlavních projevů poměru hustot v přírodě bude vztlak těles. Pokud má těleso nižší hustotu než kapalina, nikdy v ní neklesne.
Hustota materiálů
Když mluvíme o hustotě určitých materiálů, mají na mysli pevné látky. Plyny a kapaliny mají také určitou hustotu, ale o těch zde nebudeme mluvit.
Pevné materiály mohou být krystalické nebo amorfní. Hodnota ρ závisí na struktuře, meziatomových vzdálenostech a atomových a molekulárních hmotnostech materiálů. Například všechny kovy jsou krystaly a sklo nebo dřevo majíamorfní struktura. Níže je tabulka hustoty různých druhů dřeva.
Upozorňujeme, že v tomto případě je uvedena průměrná hustota. V reálném životě má každý strom jedinečné vlastnosti, včetně dutin, pórů a přítomnosti určitého procenta vlhkosti ve dřevě.
Níže je další tabulka. V něm jsou uvedeny vg/cm3hustoty všech čistých chemických prvků, které mají pokojovou teplotu.
Z tabulky je vidět, že všechny prvky mají hustotu větší než voda. Výjimkou jsou pouze tři kovy – lithium, draslík a sodík, které se nepotopí, ale plavou na hladině vody.
Jak se experimentálně měří hustota?
Ve skutečnosti existují dvě techniky pro určení studované charakteristiky. Prvním je přímé zvážení těla a měření jeho lineárních rozměrů.
Pokud je geometrický tvar tělesa složitý, pak se používá tzv. hydrostatická metoda.
Její podstata je následující: nejprve zvažte tělo ve vzduchu. Předpokládejme, že výsledná váha byla P1. Poté se těleso zváží v kapalině o známé hustotě ρl. Nechť hmotnost tělesa v kapalině je P2. Potom hodnota hustoty ρ studovaného materiálu bude:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Tento vzorec může získat každý student sám, pokud vezme v úvahu Archimédův zákonpro popsaný případ.
Historicky se věří, že hydrostatické vážení poprvé použil řecký filozof Archimedes k určení falešné zlaté koruny. První hydrostatické váhy vynalezl Galileo Galilei na konci 16. století. V současné době se pro experimentální stanovení hodnoty ρ v kapalinách, pevných látkách a plynech široce používají elektronické pyknometry a hustoměry.
Teoretická definice hustoty
Otázka, jak experimentálně zjistit hustotu, byla diskutována výše. Toto ρ neznámého materiálu však lze teoreticky nalézt. K tomu je nutné znát typ krystalové mřížky, parametry této mřížky a také hmotnost atomů, které ji tvoří. Protože každá elementární krystalová mřížka má určitý geometrický tvar, je snadné najít vzorec pro určení jejího objemu.
Pokud se krystalický materiál skládá z několika chemických prvků, jako jsou kovové slitiny, pak jeho průměrnou hustotu lze určit podle následujícího jednoduchého vzorce:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Kde mi, ρi jsou hmotnost a hustota i-té složky.
Pokud má materiál amorfní strukturu, pak teoreticky nebude možné přesně určit jeho hustotu a je třeba použít experimentální techniky.
