V článku zvážime, ako nájsť hustotu a čo to je. Pri navrhovaní mnohých konštrukcií a vozidiel sa berie do úvahy množstvo fyzikálnych vlastností, ktoré musí mať konkrétny materiál. Jednou z nich je hustota.
Hmotnosť a objem
Dešifrujte význam dvoch fyzikálnych veličín, ktoré s tým priamo súvisia – ide o hmotnosť a objem. Predtým, ako odpovieme na otázku, ako nájsť hustotu.
Hmotnosť je charakteristika, ktorá popisuje zotrvačné vlastnosti telies a ich schopnosť prejavovať vzájomnú gravitačnú príťažlivosť. Hmotnosť sa meria v kilogramoch v sústave SI.
Koncepty zotrvačných a gravitačných hmotností prvýkrát zaviedol do fyziky Isaac Newton pri formulovaní zákonov mechaniky a univerzálnej gravitácie.
Objem je výlučne geometrická charakteristika tela, ktorá kvantitatívne odráža časť priestoru, ktorý zaberá. Objem sa meria v kubických jednotkách dĺžky, napríklad v SI je to metre kubické.
Pre telá známeho tvaru(rovnobežník, guľa, pyramída) túto hodnotu je možné určiť špeciálnymi vzorcami, pre predmety nepravidelného geometrického tvaru sa objem určí ponorením do kvapaliny.
Hustota fyzikálnej veličiny
Teraz môžete prejsť priamo k odpovedi na otázku, ako zistiť hustotu. Táto charakteristika je určená pomerom telesnej hmotnosti k objemu, ktorý zaberá, čo je matematicky zapísané takto:
ρ=m/V.
Táto rovnosť ukazuje jednotky ρ (kg/m3). Hustota, hmotnosť a objem sú teda spojené jednou rovnosťou a hodnota ρ pre akýkoľvek materiál ukazuje objemovú koncentráciu jeho hmotnosti.
Uveďme si jednoduchý príklad: ak vezmete do ruky plastovú a železnú guľu rovnakej veľkosti, druhá bude mať oveľa väčšiu váhu ako tá prvá. Táto skutočnosť je spôsobená vysokou hustotou železa v porovnaní s hustotou plastu.
Jedným z hlavných prejavov pomeru hustôt v prírode bude vztlak telies. Ak má teleso nižšiu hustotu ako kvapalina, nikdy sa v nej nepotopí.
Hustota materiálov
Keď hovoríme o hustote určitých materiálov, majú na mysli pevné látky. Plyny a kvapaliny majú tiež určitú hustotu, ale o nich sa tu nebudeme baviť.
Pevné materiály môžu byť kryštalické alebo amorfné. Hodnota ρ závisí od štruktúry, medziatómových vzdialeností a atómových a molekulových hmotností materiálov. Napríklad všetky kovy sú kryštály a sklo alebo drevo majúamorfná štruktúra. Nižšie je uvedená tabuľka hustoty rôznych druhov dreva.
Upozorňujeme, že v tomto prípade je uvedená priemerná hustota. V skutočnom živote má každý strom jedinečné vlastnosti vrátane dutín, pórov a prítomnosti určitého percenta vlhkosti v dreve.
Nižšie je ďalšia tabuľka. V ňom sú uvedené vg/cm3hustoty všetkých čistých chemických prvkov, ktoré majú izbovú teplotu.
Z tabuľky je vidieť, že všetky prvky majú hustotu väčšiu ako voda. Výnimkou sú len tri kovy – lítium, draslík a sodík, ktoré sa neponárajú, ale plávajú na hladine vody.
Ako sa experimentálne meria hustota?
V skutočnosti existujú dve techniky na určenie skúmanej charakteristiky. Prvým je priame odváženie tela a meranie jeho lineárnych rozmerov.
Ak je geometrický tvar telesa zložitý, potom sa používa takzvaná hydrostatická metóda.
Jej podstata je nasledovná: najprv zvážte telo vo vzduchu. Predpokladajme, že výsledná hmotnosť bola P1. Potom sa teleso odváži v kvapaline so známou hustotou ρl. Hmotnosť telesa v kvapaline nech je P2. Potom hodnota hustoty ρ študovaného materiálu bude:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Tento vzorec môže získať každý študent sám, ak vezme do úvahy Archimedov zákonpre popísaný prípad.
Historicky sa verí, že po prvý raz hydrostatické váženie použil grécky filozof Archimedes na určenie falošnej zlatej koruny. Prvé hydrostatické váhy vynašiel Galileo Galilei na konci 16. storočia. V súčasnosti sa na experimentálne stanovenie hodnoty ρ v kvapalinách, tuhých látkach a plynoch široko používajú elektronické pyknometre a hustomery.
Teoretická definícia hustoty
Otázka, ako experimentálne zistiť hustotu, bola diskutovaná vyššie. Toto ρ neznámeho materiálu však možno teoreticky nájsť. Na to je potrebné poznať typ kryštálovej mriežky, parametre tejto mriežky, ako aj hmotnosť atómov, ktoré ju tvoria. Keďže každá elementárna kryštálová mriežka má určitý geometrický tvar, je ľahké nájsť vzorec na určenie jej objemu.
Ak kryštalický materiál pozostáva z niekoľkých chemických prvkov, ako sú kovové zliatiny, potom jeho priemernú hustotu možno určiť podľa nasledujúceho jednoduchého vzorca:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Kde mi, ρi sú hmotnosť a hustota i-tej zložky.
Ak má materiál amorfnú štruktúru, teoreticky nebude možné presne určiť jeho hustotu a musia sa použiť experimentálne techniky.
