Laten we in het artikel bekijken hoe we de dichtheid kunnen vinden en wat het is. Bij het ontwerpen van veel constructies en voertuigen wordt rekening gehouden met een aantal fysieke kenmerken die een bepaald materiaal moet hebben. Een daarvan is dichtheid.
Massa en volume
Ontcijfer de betekenis van twee fysieke grootheden die er direct mee verband houden - dit is massa en volume. Voordat we de vraag beantwoorden hoe dichtheid te vinden.
Massa is een kenmerk dat de traagheidseigenschappen van lichamen beschrijft en hun vermogen om zwaartekracht tot elkaar te laten zien. Massa wordt gemeten in kilogram in het SI-systeem.
De concepten van traagheids- en zwaartekrachtmassa's werden voor het eerst in de natuurkunde geïntroduceerd door Isaac Newton bij het formuleren van de wetten van mechanica en universele zwaartekracht.
Volume is een exclusief geometrisch kenmerk van het lichaam, dat kwantitatief het deel van de ruimte weerspiegelt dat het inneemt. Volume wordt gemeten in kubieke lengte-eenheden, bijvoorbeeld in SI is het vierkante meters.
Voor lichamen met bekende vorm(parallellepipedum, bal, piramide) deze waarde kan worden bepaald door speciale formules, voor objecten met een onregelmatige geometrische vorm wordt het volume bepaald door ze onder te dompelen in een vloeistof.
Fysieke hoeveelheidsdichtheid
Nu kun je direct naar het antwoord gaan op de vraag hoe je de dichtheid kunt vinden. Deze eigenschap wordt bepaald door de verhouding van de lichaamsmassa tot het volume dat het inneemt, wat wiskundig als volgt wordt geschreven:
ρ=m/V.
Deze gelijkheid toont de eenheden van ρ (kg/m3). Dus dichtheid, massa en volume zijn gerelateerd door een enkele gelijkheid, en de waarde van ρ voor elk materiaal geeft de volumeconcentratie van zijn massa aan.
Laten we een eenvoudig voorbeeld geven: als je plastic en ijzeren ballen van dezelfde grootte in je hand neemt, zal de tweede veel meer gewicht hebben dan de eerste. Dit feit is te wijten aan de hoge dichtheid van ijzer in vergelijking met die van plastic.
Een van de belangrijkste manifestaties van de verhouding van dichtheden in de natuur zal het drijfvermogen van lichamen zijn. Als het lichaam een lagere dichtheid heeft dan de vloeistof, zal het er nooit in zinken.
Dichtheid van materialen
Als we het hebben over de dichtheid van bepaalde materialen, bedoelen ze vaste stoffen. Gassen en vloeistoffen hebben ook een bepaalde dichtheid, maar daar gaan we het hier niet over hebben.
Vaste materialen kunnen kristallijn of amorf zijn. De waarde van ρ hangt af van de structuur, interatomaire afstanden en atomaire en moleculaire massa's van materialen. Alle metalen zijn bijvoorbeeld kristallen en glas of hout hebben:amorfe structuur. Hieronder staat een tabel met de dichtheid van verschillende houtsoorten.
Houd er rekening mee dat in dit geval de gemiddelde dichtheid wordt gegeven. In het echte leven heeft elke boom unieke kenmerken, waaronder holtes, poriën en de aanwezigheid van een bepaald percentage vocht in het hout.
Hieronder staat nog een tabel. Daarin, in g/cm3dichtheden van alle zuivere chemische elementen die op kamertemperatuur zijn, worden gegeven.
Uit de tabel blijkt dat alle elementen een dichtheid hebben die groter is dan die van water. De uitzondering zijn slechts drie metalen - lithium, kalium en natrium, die niet zinken, maar drijven op het wateroppervlak.
Hoe wordt de dichtheid experimenteel gemeten?
In feite zijn er twee technieken om het onderzochte kenmerk te bepalen. De eerste is om het lichaam direct te wegen en de lineaire afmetingen te meten.
Als de geometrische vorm van het lichaam complex is, wordt de zogenaamde hydrostatische methode gebruikt.
De essentie is als volgt: weeg eerst het lichaam in de lucht. Laten we aannemen dat het resulterende gewicht P1 was. Daarna wordt het lichaam gewogen in een vloeistof met een bekende dichtheid ρl. Laat het gewicht van het lichaam in de vloeistof P2 zijn. Dan is de waarde van de dichtheid ρ van het onderzochte materiaal:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Deze formule kan door elke student alleen worden verkregen als hij de wet van Archimedes in overweging neemtvoor het beschreven geval.
Historisch wordt aangenomen dat hydrostatische weging voor het eerst werd gebruikt door de Griekse filosoof Archimedes om de nep-gouden kroon te bepalen. De eerste hydrostatische balansen werden aan het einde van de 16e eeuw uitgevonden door Galileo Galilei. Momenteel worden elektronische pyknometers en dichtheidsmeters veel gebruikt om de waarde van ρ in vloeistoffen, vaste stoffen en gassen experimenteel te bepalen.
Theoretische definitie van dichtheid
De vraag hoe de dichtheid experimenteel te vinden is, werd hierboven besproken. Deze ρ van een onbekend materiaal kan echter theoretisch worden gevonden. Om dit te doen, is het noodzakelijk om het type kristalrooster te kennen, de parameters van dit rooster, evenals de massa van de atomen die het vormen. Aangezien elk elementair kristalrooster een bepaalde geometrische vorm heeft, is het gemakkelijk om een formule te vinden om het volume te bepalen.
Als een kristallijn materiaal uit verschillende chemische elementen bestaat, zoals metaallegeringen, dan kan de gemiddelde dichtheid worden bepaald met de volgende eenvoudige formule:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Waar mi, ρi respectievelijk de massa en dichtheid van de i-de component zijn.
Als het materiaal een amorfe structuur heeft, is het theoretisch niet mogelijk om de dichtheid nauwkeurig te bepalen en moeten experimentele technieken worden gebruikt.
