Фізична величина “щільність”. Як знайти щільність експериментально і теоретично?

Розглянемо у статті, як знайти щільність, і що це таке. При проектуванні багатьох конструкцій транспортних засобів враховується ряд фізичних характеристик, якими повинен володіти конкретний матеріал. Однією з них є щільність.

Маса і об’єм

Розшифруємо значення двох фізичних величин, які до неї мають безпосереднє відношення – це маса і об’єм. Перш, ніж ми відповімо на питання, як знайти щільність.

Масою називається така характеристика, яка описує інерційні властивості тіл і їх здатність проявляти гравітаційне тяжіння один до одного. Маса вимірюється в кілограмах в системі СІ.

Поняття інерційною і гравітаційної мас були вперше введені у фізику Ісааком Ньютоном при формулюванні законів механіки і Всесвітнього тяжіння.

Обсяг – це виключно геометрична характеристика тіла, яка відображає кількісно частину займаного їм простору. Вимірюється об’єм у кубічних одиницях довжини, наприклад, в СІ це метри в кубі.

Для тіл відомої форми (паралелепіпед, куля, піраміда) цю величину можна визначити за спеціальними формулами для об’єктів же неправильної геометричної форми обсяг визначають за допомогою занурення їх в рідину.

Фізична величина щільність

Тепер можна переходити безпосередньо до відповіді на питання, як знайти щільність. Ця характеристика визначається відношенням маси тіла до об’єму, який вона займає, що математично записується так:

ρ = m/V.

Ця рівність показує одиниці вимірювання величини ρ (кг/м3). Таким чином, щільність маса і об’єм пов’язані єдиним рівнянням, причому величина ρ для будь-якого матеріалу показує об’ємну концентрацію його маси.

Наведемо простий приклад: якщо взяти в руку пластмасовий і залізний кульки однакового розміру, то другий буде мати набагато більшу вагу, ніж перший. Цей факт пов’язаний з великою щільністю заліза порівняно з такою для пластмаси.

Дивіться також:  Крейсер "Шарнхорст": історія створення, опис та фото

Одним з основних проявів співвідношення щільностей в природі плавучість тел. Якщо тіло має меншу щільність, ніж рідина, то воно в неї ніколи не потоне.

Щільність матеріалів

Коли мову ведуть про щільності певних матеріалів, то мають на увазі тверді речовини. Гази і рідини теж мають певну щільність, але тут ми про них говорити не будемо.

Тверді матеріали можуть мати кристалічну або аморфну будову. Величина ρ залежить від будови, міжатомних відстаней і атомних і молекулярних мас матеріалів. Наприклад, всі метали – це кристали, а скло або дерево мають аморфну будову. Нижче наведемо таблицю щільності різних сортів дерева.

Звертаємо увагу, що в даному випадку наводиться середня щільність. В реальних умовах кожне дерево володіє унікальними особливостями, включаючи порожнечі, пори і наявність деякого відсотка вологи в деревині.

Нижче приведена ще одна таблиця. У ній г/см3 дані щільності всіх чистих хімічних елементів, які знаходяться при кімнатній температурі.

Видно з таблиці, що всі елементи мають щільність більше, ніж у води. Виняток становлять лише три металу – літій, калій і натрій, які плавають на поверхні води.

Як вимірюють щільність експериментально?

По суті, існують дві техніки визначення досліджуваної характеристики. Перша полягає в безпосередньому зважуванні тіла та вимірюванні його лінійних розмірів.

Якщо ж геометрична форма тіла складна, тоді використовують так званий гідростатичний метод.

Його суть полягає в наступному: спочатку зважують тіло на повітрі. Припустимо, що отриманий вага склав P1. Після цього зважують тіло в рідині з відомою густиною ρl. Нехай вага тіла в рідині дорівнює P2. Тоді значення густини ρ досліджуваного матеріалу становитиме:

ρ = ρl*P1/(P1-P2).

Цю формулу може отримати кожен школяр самостійно, якщо розгляне закон Архімеда для описаного випадку.

Дивіться також:  Що це - хітон? Про давній одяг, панцирних молюсків та інших тлумачень слова

Історично вважається, що вперше гідростатичне зважування використав грецький філософ Архімед для визначення підробки золотої корони. Перші ж гідростатичні ваги були винайдені Галілео Галілеєм в кінці XVI століття. В даний час для експериментального визначення величини ρ рідин, твердих тіл і газів широко використовуються електронні пікнометри і плотномери.

Теоретичне визначення щільності

Вище було розглянуто питання, як знайти щільність експериментально. Тим не менш, цю знайти ρ невідомого матеріалу можна теоретичним шляхом. Для цього необхідно знати тип кристалічної решітки, параметри цієї сітки, а також масу утворюючих її атомів. Оскільки будь-яка елементарна кристалічна решітка має певну геометричну форму, то нескладно знайти формулу для визначення її обсягу.

Якщо кристалічний матеріал складається з декількох хімічних елементів, наприклад, металеві сплави, то його середню густину можна визначити за такою простою формулою:

ρ = ∑mi/∑(mi/ρi).

Де mi, ρi – маса і щільність i-го компонента, відповідно.

Якщо матеріал має аморфну структуру, то теоретично визначити точно його щільність не вийде, і необхідно використовувати експериментальні техніки.