Нека разгледаме в статията как да намерим плътността и каква е тя. При проектирането на много конструкции и превозни средства се вземат предвид редица физически характеристики, които трябва да притежава даден материал. Един от тях е плътността.
Маса и обем
Дешифрирайте значението на две физически величини, които са пряко свързани с него - това е маса и обем. Преди да отговорим на въпроса как да намерим плътността.
Масата е характеристика, която описва инерционните свойства на телата и способността им да показват гравитационно привличане едно към друго. Масата се измерва в килограми в системата SI.
Понятията за инерционната и гравитационната маса са въведени за първи път във физиката от Исак Нютон, когато формулира законите на механиката и универсалната гравитация.
Обемът е изключително геометрична характеристика на тялото, която отразява количествено частта от пространството, което заема. Обемът се измерва в кубични единици дължина, например в SI е метри в кубчета.
За тела с известна форма(паралелепипед, топка, пирамида) тази стойност може да се определи по специални формули, за обекти с неправилна геометрична форма обемът се определя чрез потапянето им в течност.
Плътност на физическото количество
Сега можете да преминете директно към отговора на въпроса как да намерите плътността. Тази характеристика се определя от съотношението на телесната маса към обема, който заема, което се записва математически, както следва:
ρ=m/V.
Това равенство показва мерните единици ρ (kg/m3). По този начин плътността, масата и обемът са свързани с едно-единствено равенство, а стойността на ρ за всеки материал показва обемната концентрация на неговата маса.
Нека дадем прост пример: ако вземете пластмасови и железни топки с еднакъв размер в ръката си, тогава втората ще има много по-голяма тежест от първата. Този факт се дължи на високата плътност на желязото в сравнение с тази на пластмасата.
Едно от основните прояви на съотношението на плътностите в природата ще бъде плаваемостта на телата. Ако тялото има по-ниска плътност от течността, то никога няма да потъне в него.
Плътност на материалите
Когато говорим за плътността на определени материали, те имат предвид твърди вещества. Газовете и течностите също имат определена плътност, но тук няма да говорим за тях.
Твърдите материали могат да бъдат кристални или аморфни. Стойността на ρ зависи от структурата, междуатомните разстояния и атомната и молекулна маса на материалите. Например всички метали са кристали, а стъклото или дървото иматаморфна структура. По-долу е дадена таблица за плътността на различните видове дървесина.
Моля, имайте предвид, че в този случай е дадена средната плътност. В реалния живот всяко дърво има уникални характеристики, включително кухини, пори и наличието на определен процент влага в дървото.
По-долу е друга таблица. В него в g/cm3 са дадени плътностите на всички чисти химични елементи, които са при стайна температура.
От таблицата може да се види, че всички елементи имат плътност, по-голяма от тази на водата. Изключение правят само три метала - литий, калий и натрий, които не потъват, а плуват на повърхността на водата.
Как се измерва плътността експериментално?
Всъщност има две техники за определяне на изследваната характеристика. Първият е директно претегляне на тялото и измерване на линейните му размери.
Ако геометричната форма на тялото е сложна, тогава се използва така нареченият хидростатичен метод.
Същността му е следната: първо претеглете тялото във въздуха. Да приемем, че полученото тегло е P1. След това тялото се претегля в течност с известна плътност ρl. Нека теглото на тялото в течността е P2. Тогава стойността на плътността ρ на изследвания материал ще бъде:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Тази формула може да бъде получена от всеки ученик самостоятелно, ако вземе предвид закона на Архимедза описания случай.
В исторически план се смята, че за първи път хидростатичното претегляне е използвано от гръцкия философ Архимед за определяне на фалшивата златна корона. Първите хидростатични везни са изобретени от Галилео Галилей в края на 16 век. Понастоящем електронните пикнометри и измервателите на плътност се използват широко за експериментално определяне на стойността на ρ в течности, твърди вещества и газове.
Теоретична дефиниция на плътността
Въпросът как да се намери експериментално плътността беше обсъден по-горе. Въпреки това, това ρ от неизвестен материал може да бъде намерено теоретично. За да направите това, е необходимо да знаете вида на кристалната решетка, параметрите на тази решетка, както и масата на атомите, които я образуват. Тъй като всяка елементарна кристална решетка има определена геометрична форма, лесно е да се намери формула за определяне на нейния обем.
Ако кристален материал се състои от няколко химически елемента, като метални сплави, тогава неговата средна плътност може да се определи по следната проста формула:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Където mi, ρi са съответно масата и плътността на i-тия компонент.
Ако материалът има аморфна структура, тогава теоретично няма да е възможно да се определи точно неговата плътност и трябва да се използват експериментални техники.
