Inhoud
- Wat is dichtheid?
- Dichtheid versus soortelijk gewicht
- Archimedes-principe
- Dichtheidsmeting van vaste stoffen
- Samengestelde dichtheid van vaste stoffen
Wanneer u het woord ziet of hoort dichtheid, als je de term al kent, roept het je waarschijnlijk beelden op van "drukbezette": bijvoorbeeld drukke stadsstraten of de ongewone dikte van de bomen in een deel van een park in je buurt.
En in essentie is dat waar dichtheid naar verwijst: een concentratie van iets, met de nadruk niet op de totale hoeveelheid van iets in de scène, maar hoeveel is verdeeld in de beschikbare ruimte.
Dichtheid is een kritisch concept in de wereld van de natuurwetenschappen. Het biedt een manier om basis te relateren er toe doen - de dingen van het dagelijkse leven die meestal (maar niet altijd) kunnen worden gezien en gevoeld of op zijn minst op een of andere manier kunnen worden vastgelegd in metingen in een laboratoriumomgeving - tot de basisruimte, het kader dat we gebruiken om over de wereld te navigeren. Verschillende soorten materie op aarde kunnen zeer verschillende dichtheden hebben, zelfs binnen het rijk van vaste materie alleen.
De dichtheidsmeting van vaste stoffen wordt uitgevoerd met behulp van andere methoden dan die welke worden gebruikt bij het bepalen van de dichtheden van vloeistoffen en gassen. De meest nauwkeurige manier om de dichtheid te meten, hangt vaak af van de experimentele situatie en van het feit of uw monster slechts één soort materie (materiaal) bevat met bekende fysische en chemische eigenschappen of meerdere soorten.
Wat is dichtheid?
In de natuurkunde de dichtheid van een materiaalmonster is alleen de totale massa van het monster gedeeld door zijn volume, ongeacht hoe de materie in het monster is verdeeld (een probleem dat de mechanische eigenschappen van de betreffende vaste stof beïnvloedt).
Een voorbeeld van iets dat een voorspelbare dichtheid heeft binnen een bepaald bereik, maar ook sterk variërende dichtheidsniveaus heeft, is het menselijk lichaam, dat bestaat uit een min of meer vaste verhouding van water, bot en andere soorten weefsel.
Dichtheid en massa worden beide vaak verward met gewicht, hoewel om misschien andere redenen. Gewicht is eenvoudig de kracht die resulteert uit de versnelling van de zwaartekracht die op materie of massa inwerkt: F = mg. Op aarde heeft de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht de waarde 9,8 m / s2. EEN massa van 10 kg heeft dus een gewicht van (10 kg) (9,8 m / s2) = 98 Newton (N).
Gewicht zelf wordt ook verward met dichtheid, om de eenvoudige reden dat gegeven twee objecten van dezelfde grootte, degene met een hogere dichtheid in feite meer zal wegen. Dit is de basis voor de oude trucvraag: "Wat weegt meer, een pond veren of een pond lood?" Een pond is hoe dan ook een pond, maar de sleutel hier is dat het pond veren veel meer ruimte zal innemen dan een pond lood vanwege de veel grotere dichtheid van lood.
Dichtheid versus soortelijk gewicht
Een fysica-term die nauw verband houdt met dichtheid is soortelijk gewicht (SG). Dit is gewoon de dichtheid van een bepaald materiaal gedeeld door de dichtheid van water. De dichtheid van water is gedefinieerd als exact 1 g / ml (of equivalent 1 kg / L) bij normale kamertemperatuur, 25 ° C. Dit komt omdat de definitie van een liter in SI (internationaal systeem of "metrische") eenheden de hoeveelheid water is met een massa van 1 kg.
Op het eerste gezicht lijkt dit SG daarom tot een nogal triviaal stukje informatie te maken: Waarom delen door 1? In feite zijn er twee redenen. Een daarvan is dat de dichtheid van water en andere materialen enigszins varieert met de temperatuur, zelfs binnen het bereik van de kamertemperatuur, dus wanneer nauwkeurige metingen nodig zijn, moet met deze variatie rekening worden gehouden, omdat de waarde van p temperatuurafhankelijk is.
Terwijl dichtheid ook eenheden van g / ml of dergelijke heeft, is SG ook eenheidloos, omdat het slechts een dichtheid is gedeeld door een dichtheid. Het feit dat deze hoeveelheid slechts een constante is, maakt sommige berekeningen met betrekking tot dichtheid gemakkelijker.
Archimedes-principe
Misschien ligt de grootste praktische toepassing van de dichtheid van vaste materialen erin Archimedes-principe, millennia geleden ontdekt door een Griekse geleerde met dezelfde naam. Dit principe beweert dat, wanneer een vast voorwerp in een vloeistof wordt geplaatst, het voorwerp naar boven wordt onderworpen aan een net drijfkracht gelijk aan de gewicht van de verplaatste vloeistof.
Deze kracht is hetzelfde, ongeacht het effect ervan op het object, bijvoorbeeld door het naar het oppervlak te duwen (als de dichtheid van het object kleiner is dan die van de vloeistof), laat het perfect op zijn plaats drijven (als de dichtheid van het object is exact gelijk aan dat van de vloeistof) of laat het zinken (als de dichtheid van het object groter is dan die van de vloeistof).
Symbolisch wordt dit principe uitgedrukt als FB = Wf, waar FB is de drijvende kracht en wf is het gewicht van de verplaatste vloeistof.
Dichtheidsmeting van vaste stoffen
Van de verschillende methoden die worden gebruikt om de dichtheid van een vast materiaal te bepalen, hydrostatisch wegen heeft de voorkeur omdat het de meest accurate, zo niet de meest handige is. De meeste solide materialen van belang zijn niet in de vorm van nette geometrische vormen met gemakkelijk berekende volumes, die een indirecte volumebepaling vereisen.
Dit is een van de vele manieren van leven die het Archimedes-principe van pas komt. Een persoon wordt gewogen in zowel lucht als in een vloeistof met een bekende dichtheid (water is uiteraard een nuttige keuze). Als een object met een "land" -massa van 60 kg (W = 588 N) 50 L water verplaatst wanneer het wordt ondergedompeld voor wegen, moet de dichtheid 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L zijn.
Als je in dit voorbeeld dit object met een grotere dichtheid dan water op zijn plaats wilde houden door een opwaartse kracht uit te oefenen naast de drijvende kracht, wat zou de grootte van deze kracht zijn? U berekent alleen het verschil tussen het gewicht van het verplaatste water en het gewicht van het object: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s2) = 98 N.
Samengestelde dichtheid van vaste stoffen
Soms krijg je een object te zien dat meer dan één soort materiaal bevat, maar in tegenstelling tot het voorbeeld van het menselijk lichaam, deze materialen op een uniform verdeelde manier bevat. Dat wil zeggen, als u een klein monster van het materiaal zou nemen, zou het dezelfde verhouding tussen materiaal A en materiaal B hebben als het hele object.
Een situatie waarin dit gebeurt, is in de bouwtechniek, waar balken en andere ondersteunende elementen vaak van twee soorten materiaal zijn gemaakt: matrix (M) en vezel (F). Als u een monster van deze bundel hebt, bestaande uit een bekende volumeverhouding van deze twee elementen en hun individuele dichtheden kent, kunt u de dichtheid van de composiet berekenen (ρC) met behulp van de volgende vergelijking:
ρC = ρFVF + ρMVM,
Waar ρF en ρM en VF en Vm zijn de dichtheden en volumefracties (d.w.z. het percentage van de bundel bestaande uit vezel of matrix, omgezet in een decimaal getal) van elk type materiaal.
Voorbeeld: Een monster van 1000 ml van een mysterieus object bevat 70 procent rotsachtig materiaal met een dichtheid van 5 g / ml en 30 procent gelachtig materiaal met een dichtheid van 2 g / ml. Wat is de dichtheid van het object (composiet)?
ρC = ρRVR + ρGVG = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.