เนื้อหา
- ความหนาแน่นคืออะไร
- ความหนาแน่นเทียบกับแรงโน้มถ่วงที่เฉพาะเจาะจง
- หลักการอาร์คิมีดีส
- การวัดความหนาแน่นของของแข็ง
- ความหนาแน่นรวมของของแข็ง
เมื่อคุณเห็นหรือได้ยินคำว่า ความหนาแน่น หากคุณคุ้นเคยกับคำศัพท์นี้มันอาจเรียกภาพความคิดของคุณว่า "ผู้คนพลุกพล่าน": ถนนในเมืองที่เต็มไปด้วยผู้คนพูดหรือความหนาของต้นไม้ในสวนสาธารณะในละแวกของคุณ
และในสาระสำคัญนั่นคือความหนาแน่นหมายถึงอะไร: การรวมสมาธิของบางสิ่งบางอย่างโดยไม่เน้นจำนวนรวมของสิ่งใดในฉาก แต่มีการกระจายเข้าไปในพื้นที่ว่างเท่าไหร่
ความหนาแน่นเป็นแนวคิดที่สำคัญในโลกวิทยาศาสตร์กายภาพ มันมีวิธีการที่เกี่ยวข้องพื้นฐาน เรื่อง - สิ่งของในชีวิตประจำวันที่สามารถมองเห็นและรู้สึกได้ (อย่างน้อยก็ไม่เสมอไป) หรืออย่างน้อยก็ถูกวัดในห้องทดลอง - ไปยังพื้นที่พื้นฐานซึ่งเป็นกรอบการทำงานที่เราใช้เพื่อนำทางโลก สสารชนิดต่าง ๆ บนโลกสามารถมีความหนาแน่นแตกต่างกันมากแม้ในขอบเขตของสสารแข็งเพียงอย่างเดียว
การวัดความหนาแน่นของของแข็งจะดำเนินการโดยใช้วิธีการที่แตกต่างจากที่ใช้ในการทดสอบความหนาแน่นของของเหลวและก๊าซ วิธีที่แม่นยำที่สุดในการวัดความหนาแน่นมักขึ้นอยู่กับสถานการณ์ทดลองและตัวอย่างของคุณมีสสาร (วัสดุ) เพียงชนิดเดียวที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่รู้จักหรือหลายประเภท
ความหนาแน่นคืออะไร
ในวิชาฟิสิกส์ ความหนาแน่นของตัวอย่างวัสดุเป็นเพียงมวลรวมของตัวอย่างที่หารด้วยปริมาตรโดยไม่คำนึงว่าการแจกแจงตัวอย่างในเรื่องใด (ข้อกังวลที่ส่งผลต่อสมบัติเชิงกลของของแข็งที่มีปัญหา)
ตัวอย่างของสิ่งที่มีความหนาแน่นที่คาดเดาได้ในช่วงที่กำหนด แต่ยังมีระดับความหนาแน่นที่แตกต่างกันอย่างมากคือร่างกายมนุษย์ซึ่งประกอบด้วยอัตราส่วนคงที่ของน้ำกระดูกและเนื้อเยื่อชนิดอื่น ๆ
ความหนาแน่นและมวลมักจะสับสนกับ น้ำหนักแม้ว่าด้วยเหตุผลที่แตกต่างกันบางที น้ำหนักเป็นเพียงแรงที่เกิดจากการเร่งความเร็วของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อสสารหรือมวล: F = mg. บนโลกความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีค่า 9.8 m / s2. มวล 10 กิโลกรัมจึงมี น้ำหนัก ของ (10 กก.) (9.8 m / s2) = 98 นิวตัน (N)
น้ำหนักตัวเองยังสับสนกับความหนาแน่นด้วยเหตุผลง่ายๆที่วัตถุสองชิ้นที่มีขนาดเท่ากันวัตถุที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะมีน้ำหนักมากกว่า นี่เป็นพื้นฐานสำหรับคำถามเคล็ดลับเก่า ๆ "ซึ่งมีน้ำหนักมากกว่าขนหนึ่งปอนด์หรือตะกั่วหนึ่งปอนด์?" ปอนด์เป็นปอนด์ไม่ว่าจะเกิดอะไรขึ้น แต่ที่สำคัญคือปอนด์ของขนจะใช้พื้นที่มากเกินกว่าที่จะนำไปสู่ปอนด์เนื่องจากมีความหนาแน่นสูงกว่า
ความหนาแน่นเทียบกับแรงโน้มถ่วงที่เฉพาะเจาะจง
ศัพท์ฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความหนาแน่นคือ แรงดึงดูดเฉพาะ (SG) นี่เป็นเพียงความหนาแน่นของวัสดุที่กำหนดหารด้วยความหนาแน่นของน้ำ ความหนาแน่นของน้ำหมายถึง 1 g / mL (หรือเทียบเท่า 1 กิโลกรัม / ลิตร) ที่อุณหภูมิห้องปกติ 25 ° C นี่เป็นเพราะคำจำกัดความของลิตรในหน่วย SI (ระบบระหว่างประเทศหรือ "ตัวชี้วัด") คือปริมาณน้ำที่มีมวล 1 กิโลกรัม
บนพื้นผิวแล้วสิ่งนี้จะทำให้ SG เป็นข้อมูลที่ค่อนข้างน่าสนใจ: ทำไมต้องหารด้วย 1 ในความเป็นจริงมีสองเหตุผล หนึ่งคือความหนาแน่นของน้ำและวัสดุอื่น ๆ มีความแตกต่างกันเล็กน้อยกับอุณหภูมิแม้ในช่วงอุณหภูมิห้องดังนั้นเมื่อต้องการการวัดที่แม่นยำการเปลี่ยนแปลงนี้จะต้องนำมาพิจารณาเนื่องจากค่าของρขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
นอกจากนี้ในขณะที่ความหนาแน่นมีหน่วยของ g / mL หรือคล้ายกัน SG เป็นหน่วยเนื่องจากมันเป็นเพียงความหนาแน่นหารด้วยความหนาแน่น ความจริงที่ว่าปริมาณนี้เป็นเพียงค่าคงที่ทำให้การคำนวณที่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นง่ายขึ้น
หลักการอาร์คิมีดีส
บางทีการใช้งานจริงที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของความหนาแน่นของวัสดุที่เป็นของแข็งอยู่ใน หลักการอาร์คิมีดีสค้นพบพันปีที่ผ่านมาโดยนักวิชาการชาวกรีกที่มีชื่อเดียวกัน หลักการนี้อ้างว่าเมื่อวางวัตถุของแข็งไว้ในของเหลววัตถุนั้นจะถูกขึ้นด้านบน แรงลอยตัว เท่ากับ น้ำหนัก ของของเหลวที่พลัดถิ่น
แรงนี้จะเหมือนกันโดยไม่คำนึงถึงผลกระทบต่อวัตถุซึ่งอาจจะผลักไปทางพื้นผิว (ถ้าความหนาแน่นของวัตถุน้อยกว่าของของเหลว) ปล่อยให้มันลอยอยู่ในตำแหน่งที่สมบูรณ์ (ถ้าความหนาแน่นของ วัตถุนั้นมีค่าเท่ากับของเหลว) หรือยอมให้จม (ถ้าความหนาแน่นของวัตถุมากกว่าของเหลว)
สัญลักษณ์หลักการนี้แสดงเป็น FB = Wฉ, ที่ไหน FB คือแรงลอยตัวและ Wฉ คือน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่
การวัดความหนาแน่นของของแข็ง
จากวิธีการต่าง ๆ ที่ใช้ในการกำหนดความหนาแน่นของวัสดุแข็ง การชั่งน้ำหนักที่หยุดนิ่ง เป็นที่ต้องการเพราะแม่นยำที่สุดหากไม่สะดวกที่สุด วัสดุที่เป็นของแข็งที่น่าสนใจส่วนใหญ่ไม่ได้อยู่ในรูปของรูปทรงเรขาคณิตที่เรียบร้อยพร้อมปริมาตรที่คำนวณได้ง่ายซึ่งต้องการการกำหนดปริมาณทางอ้อม
นี่เป็นหนึ่งในหลาย ๆ ชีวิตที่หลักการอาร์คิมีดีสมีประโยชน์ วัตถุถูกชั่งน้ำหนักทั้งในอากาศและในของเหลวที่มีความหนาแน่นที่รู้จัก (เห็นได้ชัดว่าน้ำเป็นตัวเลือกที่มีประโยชน์) หากวัตถุที่มีมวล "ที่ดิน" 60 กก. (W = 588 N) แทนที่น้ำ 50 ลิตรเมื่อแช่ลงในการชั่งน้ำหนักความหนาแน่นของวัตถุนั้นจะต้องเท่ากับ 60 กก. / 50 ลิตร = 1.2 กก. / ลิตร
หากในตัวอย่างนี้คุณต้องการเก็บวัตถุที่หนาแน่นกว่าน้ำไว้ในตำแหน่งนี้โดยใช้แรงขึ้นนอกเหนือจากแรงลอยตัวขนาดของกำลังนี้จะเป็นเท่าไหร่ คุณเพียงแค่คำนวณความแตกต่างระหว่างน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่และน้ำหนักของวัตถุ: 588 N - (50 กิโลกรัม) (9.8 m / s2) = 98 N.
ความหนาแน่นรวมของของแข็ง
บางครั้งคุณจะพบกับวัตถุที่มีวัสดุมากกว่าหนึ่งชนิด แต่แตกต่างจากตัวอย่างของร่างกายมนุษย์มีวัสดุเหล่านี้ในลักษณะกระจายอย่างสม่ำเสมอ นั่นคือถ้าคุณเอาตัวอย่างเล็ก ๆ ของวัสดุมันจะมีอัตราส่วนของวัสดุ A ต่อวัสดุ B เท่ากับวัตถุทั้งหมด
สถานการณ์หนึ่งที่สิ่งนี้เกิดขึ้นคือในงานวิศวกรรมโครงสร้างที่ซึ่งคานและองค์ประกอบสนับสนุนอื่น ๆ มักจะทำจากวัสดุสองประเภท: เมทริกซ์ (M) และไฟเบอร์ (F) หากคุณมีตัวอย่างของลำแสงนี้ประกอบด้วยอัตราส่วนปริมาตรที่รู้จักกันขององค์ประกอบทั้งสองนี้และทราบความหนาแน่นของแต่ละองค์ประกอบคุณสามารถคำนวณความหนาแน่นของคอมโพสิต (ρ)C) ใช้สมการต่อไปนี้:
ρC = ρFVF + ρMVM,
ที่ไหนρF และρM และโวลต์F และ Vm คือความหนาแน่นและเศษส่วนของปริมาตร (เช่นเปอร์เซ็นต์ของคานที่ประกอบด้วยไฟเบอร์หรือเมทริกซ์แปลงเป็นเลขทศนิยม) ของวัสดุแต่ละประเภท
ตัวอย่าง: ตัวอย่างวัตถุลึกลับ 1,000 มิลลิลิตรประกอบด้วยวัสดุหินร้อยละ 70 ที่มีความหนาแน่น 5 กรัม / มิลลิลิตรและวัสดุที่มีลักษณะคล้ายเจลร้อยละ 30 ที่มีความหนาแน่น 2 กรัม / มิลลิลิตร ความหนาแน่นของวัตถุ (คอมโพสิต) คืออะไร?
ρC = ρRVR + ρGVG = (5 g / mL) (0.70) + (2 g / mL) (0.30) = 3.5 + 0.6 = 4.1 g / mL.