Fizička količina "gustina". Kako eksperimentalno i teoretski pronaći gustinu?

Razmotrimo u članku Kako pronaći gustinu i šta je to. Prilikom projektovanja mnogih konstrukcija i vozila uzimaju se u obzir brojne fizičke karakteristike koje određeni materijal mora posjedovati. Jedna od njih je gustina.

Težina i zapremina

Hajde da dešifrujemo značenje dve fizičke veličine koje su direktno povezane sa njim - to je masa i zapremina. Prije nego što odgovorimo na pitanje, Kako pronaći gustinu.

Masa je karakteristika koja opisuje inercijalna svojstva tijela i njihovu sposobnost da pokazuju gravitaciono privlačenje jedno prema drugom. Masa se mjeri u kilogramima u SI sistemu.

Koncepte inercijalnih i gravitacionih masa prvi je u fiziku uveo Isaac Newton prilikom formulisanja zakona mehanike i univerzalne gravitacije.

Volumen je isključivo geometrijska karakteristika tijela, koja kvantitativno odražava dio prostora koji zauzima. Zapremina se mjeri u kubnim jedinicama dužine, na primjer, u SI je metar u kocki.

Za tijela poznatog oblika (paralelepiped, lopta, piramida) ova vrijednost se može odrediti posebnim formulama, za objekte nepravilnog geometrijskog oblika volumen se određuje uranjanjem u tečnost.

Gustina fizičke količine

Sada možete ići direktno na odgovor na pitanje Kako pronaći gustinu. Ova karakteristika je određena omjerom tjelesne težine i zapremine koju zauzima, koji je matematički zapisan kao:

ρ = m / V.

Ova jednakost prikazuje mjerne jedinice vrijednosti p (kg /^m3). Dakle, gustina mase i zapremine povezana je jednom jednakošću, a vrijednost p za bilo koji materijal pokazuje zapreminsku koncentraciju njegove mase.

Navedimo jednostavan primer: ako u ruku uzmete plastične i gvozdene kugle iste veličine, onda će druga imati mnogo veću težinu od prve. Ova činjenica je zbog velike gustine gvožđa u poređenju sa onom za plastiku.

Jedna od glavnih manifestacija omjera gustine u prirodi bit će plovnost tijela. Ako tijelo ima manju gustoću od tečnosti, tada se nikada neće utopiti u njemu.

Gustina materijala

Kada je u pitanju gustina određenih materijala, oni znače čvrste materije. Gasovi i tečnosti takođe imaju određenu gustinu, ali o njima ovde nećemo govoriti.

Čvrsti materijali mogu imati kristalnu ili amorfnu strukturu. Vrijednost p ovisi o strukturi, međuatomskim udaljenostima i atomskim i molekularnim masama materijala. Na primer, svi metali su kristali, a staklo ili drvo imaju amorfnu strukturu. Ispod je tabela gustine različitih sorti drveća.

Imajte na umu da je u ovom slučaju data prosječna gustina. U realnim uslovima, svako drvo ima jedinstvene karakteristike, uključujući praznine, pore i prisustvo određenog procenta vlage u drvetu.

Ispod je još jedna tabela. U njoj gustoće svih čistih hemijskih elemenata koji su na sobnoj temperaturi date su u g / cm3.

Iz tabele se vidi da svi elementi imaju gustinu veću od gustine vode. Izuzetak su samo tri metala - litijum, kalijum i natrijum, koji ne tonu, već plutaju na površini vode.

Kako se eksperimentalno mjeri gustina?

Zapravo, postoje dvije tehnike za određivanje proučavanih karakteristika. Prvi je direktno vaganje tijela i mjerenje njegovih linearnih dimenzija.

Ako je geometrijski oblik tijela složen, tada se koristi takozvana hidrostatička metoda.

Njegova suština je sljedeća: prvo se tijelo vaga u zraku. Pretpostavimo da je dobijena težina P₁. Nakon toga, tijelo se Vaga u tečnosti poznate gustine p_l. Neka težina tijela u tečnosti bude P₂. Tada će vrijednost gustine p materijala koji se proučava biti:

p = p_l* P₁/ (P₁-P₂).

Svaki učenik može samostalno dobiti ovu formulu ako uzme u obzir Arhimedov zakon za opisani slučaj.

Istorijski gledano, vjeruje se da je po prvi put hidrostatičko vaganje grčki filozof Arhimed koristio za određivanje krivotvorenja zlatne krune. Prve hidrostatičke vage izmislio je Galileo Galilei na kraju XVI veka. Trenutno se elektronski piknometri i mjerači gustine široko koriste za eksperimentalno određivanje veličine p tečnosti, čvrstih materija i gasova.

Teorijska definicija gustine

Pitanje kako eksperimentalno pronaći gustinu razmatrano je gore. Ipak, ovaj dio nepoznatog materijala moguće je pronaći teoretski. Da biste to učinili, potrebno je znati vrstu kristalne rešetke, parametre ove rešetke, kao i masu atoma koji je formiraju. Budući da bilo koja elementarna kristalna rešetka ima određeni geometrijski oblik, nije teško pronaći formulu za određivanje njenog volumena.

Ako se kristalni materijal sastoji od nekoliko hemijskih elemenata, na primjer, metalnih legura, tada se njegova prosječna gustoća može odrediti sljedećom jednostavnom formulom:

p = ∑m_i/ ∑(m_i/ p_i).

Gdje m_i, p_i - je masa i gustina i-te komponente, respektivno.

Ako materijal ima amorfnu strukturu, teoretski neće biti moguće precizno odrediti njegovu gustinu, te je potrebno koristiti eksperimentalne tehnike.