المحتوى
- ما هي الكثافة؟
- الكثافة مقابل الثقل النوعي
- مبدأ أرخميدس
- قياس كثافة المواد الصلبة
- الكثافة المركبة للمواد الصلبة
عندما ترى أو تسمع الكلمة كثافة، إذا كنت معتادًا على هذا المصطلح على الإطلاق ، فمن المحتمل أن يستدعي إلى عقلك صورًا لـ "مزدحمة": شوارع المدينة المزدحمة بالمزارع ، على سبيل المثال ، أو السماكة غير العادية للأشجار في جزء من حديقة في منطقتك.
وفي جوهرها ، هذا هو ما تشير إليه الكثافة: تركيز شيء ما ، مع التركيز ليس على المبلغ الإجمالي لأي شيء في المشهد ولكن كم تم توزيعه في المساحة المتاحة.
الكثافة مفهوم أساسي في عالم العلوم الفيزيائية. وهو يوفر طريقة لربط الأساسية شيء - عناصر الحياة اليومية التي يمكن رؤيتها عادةً (ولكن ليس دائمًا) أو الإحساس بها أو على الأقل بطريقة ما يتم التقاطها في قياسات في بيئة معملية - إلى الفضاء الأساسي ، وهو الإطار ذاته الذي نستخدمه للتنقل في العالم. يمكن أن يكون للأنواع المختلفة من المادة على الأرض كثافات مختلفة للغاية ، حتى داخل نطاق المادة الصلبة وحدها.
يتم إجراء قياس كثافة المواد الصلبة باستخدام طرق مختلفة عن تلك المستخدمة في اختبار كثافة السوائل والغازات. غالبًا ما تعتمد الطريقة الأكثر دقة لقياس الكثافة على الموقف التجريبي ، وعلى ما إذا كانت عينتك تتضمن نوعًا واحدًا فقط من المادة (المواد) ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية المعروفة أو أنواع متعددة.
ما هي الكثافة؟
في الفيزياء ، كثافة عينة من المواد ليست سوى الكتلة الكلية للعينة مقسومة على حجمها، بغض النظر عن كيفية توزيع المادة في العينة (مصدر قلق يؤثر على الخواص الميكانيكية للمادة الصلبة المعنية).
مثال على شيء له كثافة يمكن التنبؤ بها في نطاق معين ، ولكن لديه أيضًا مستويات متفاوتة من الكثافة بشكل كبير ، جسم الإنسان ، الذي يتكون من نسبة ثابتة أو أكثر ثابتة من الماء والعظام وأنواع أخرى من الأنسجة.
غالبا ما يتم الخلط بين الكثافة والكتلة وزن، على الرغم من لأسباب مختلفة ربما. الوزن هو ببساطة القوة الناتجة عن تسارع الجاذبية التي تعمل على المادة ، أو الكتلة: F = ملغ. على الأرض ، فإن التسارع بسبب الجاذبية له قيمة 9.8 م / ث2. أ كتلة من 10 كجم وبالتالي لديه وزن من (10 كجم) (9.8 م / ث2) = 98 نيوتن (N).
يتم خلط الوزن نفسه أيضًا مع الكثافة ، وذلك لسبب بسيط هو أنه نظرًا لوجود كائنين من نفس الحجم ، فإن وزن الجسم ذو الكثافة الأعلى سيزيد في الواقع. هذا هو الأساس لسؤال الخدعة القديم ، "من يزن أكثر ، رطل من الريش أم رطل من الرصاص؟" الجنيه هو الجنيه مهما كان ، لكن المفتاح هنا هو أن رطل الريش سوف يشغل مساحة أكبر بكثير من رطل الرصاص بسبب كثافه أكبر بكثير.
الكثافة مقابل الثقل النوعي
مصطلح الفيزياء يرتبط ارتباطا وثيقا الكثافة جاذبية معينة (SG). هذه مجرد كثافة مادة معينة مقسومة على كثافة الماء. يتم تعريف كثافة الماء لتكون بالضبط 1 جم / مل (أو ما يعادلها ، 1 كجم / لتر) في درجة حرارة الغرفة العادية ، 25 درجة مئوية. هذا لأن تعريف اللتر في وحدات SI (النظام الدولي ، أو "النظام المتري") هو كمية الماء التي تحتوي على كتلة 1 كجم.
على السطح ، يبدو أن هذا سيجعل سان جرمان قطعة تافهة من المعلومات: لماذا نقسم على 1؟ في الواقع ، هناك سببان. أحدهما هو أن كثافة الماء والمواد الأخرى تختلف اختلافًا طفيفًا مع درجة الحرارة حتى داخل نطاقات درجة حرارة الغرفة ، لذلك عند الحاجة إلى قياسات دقيقة ، يجب مراعاة هذا الاختلاف لأن قيمة ρ تعتمد على درجة الحرارة.
أيضًا ، على الرغم من أن الكثافة تحتوي على وحدات g / mL أو ما شابه ، فإن SG تكون بدون وحدة ، لأنها مجرد كثافة مقسومة على كثافة. حقيقة أن هذه الكمية هي مجرد ثابت يجعل بعض الحسابات التي تنطوي على كثافة أسهل.
مبدأ أرخميدس
ولعل أكبر تطبيق عملي لكثافة المواد الصلبة يكمن في مبدأ أرخميدس، اكتشف منذ آلاف السنين من قبل عالم يوناني يحمل نفس الاسم. يؤكد هذا المبدأ أنه عندما يتم وضع كائن صلب في السائل ، فإن الكائن يخضع لشبكة تصاعدية قوة الطفو يساوي وزن من السوائل المشردة.
هذه القوة هي نفسها بغض النظر عن تأثيرها على الكائن ، والذي قد يكون لدفعها نحو السطح (إذا كانت كثافة الجسم أقل من كثافة السائل) ، اسمح لها بالطفو في مكانه تمامًا (إذا كانت كثافة يكون الكائن مساوياً تمامًا لكائن السائل) أو يسمح له بالغرق (إذا كانت كثافة الكائن أكبر من كثافة السائل).
رمزيًا ، يتم التعبير عن هذا المبدأ كـ Fب = ثF, أين Fب هي القوة المزدهرة و WF هو وزن السائل المشرد.
قياس كثافة المواد الصلبة
من الطرق المختلفة المستخدمة لتحديد كثافة المواد الصلبة ، وزن الهيدروستاتيكي هو المفضل لأنه الأكثر دقة ، إن لم يكن الأكثر ملاءمة. معظم المواد الصلبة ذات الاهتمام ليست في شكل أشكال هندسية أنيقة بأحجام محسوبة بسهولة ، وتتطلب تحديدًا غير مباشر للحجم.
هذا هو واحد من العديد من مناحي الحياة التي يأتي مبدأ أرخميدس في متناول يدي. يتم وزن الموضوع في كل من الهواء وفي سائل ذو كثافة معروفة (من الواضح أن الماء يعد اختيارًا مفيدًا). إذا كان جسم ذي "أرض" كتلة 60 كجم (W = 588 N) يحل محل 50 L من الماء عند غمره في الوزن ، يجب أن تكون كثافته 60 kg / 50 L = 1.2 kg / L.
إذا رغبت في هذا المثال في الحفاظ على جسم كثيف الكثافة معلقًا في مكانه بتطبيق قوة تصاعدية بالإضافة إلى القوة الطافية ، فما حجم هذه القوة؟ تقوم فقط بحساب الفرق بين وزن المياه النازحة ووزن الجسم: 588 ن - (50 كلغ) (9.8 م / ث2) = 98 شمالاً
الكثافة المركبة للمواد الصلبة
في بعض الأحيان يتم تقديمك لكائن يحتوي على أكثر من نوع واحد من المواد ، ولكن على عكس مثال جسم الإنسان ، يحتوي على هذه المواد بطريقة موزعة بشكل موحد. أي أنك إذا أخذت عينة صغيرة من المادة ، فستكون لها نفس النسبة من المادة A إلى المادة B مثل الكائن بأكمله.
أحد المواقف التي يحدث فيها ذلك هو في الهندسة الإنشائية ، حيث تصنع الحزم والعناصر الداعمة الأخرى غالبًا من نوعين من المواد: المصفوفة (M) والألياف (F). إذا كان لديك عينة من هذه الحزمة مكونة من نسبة حجم معروفة لهذين العنصرين ، ومعرفة كثافاتهما الفردية ، يمكنك حساب كثافة المركب (ρC) باستخدام المعادلة التالية:
ρC = ρFالخامسF + ρMالخامسM,
أين ρF و ρM و الخامسF و Vm هي الكثافة وكسور الحجم (أي النسبة المئوية للحزمة المكونة من الألياف أو المصفوفة ، المحولة إلى رقم عشري) لكل نوع من المواد.
مثال: تحتوي عينة 1،000 مل من جسم غامض على مادة صخرية بنسبة 70 في المئة بكثافة 5 جم / مل و 30 في المئة مادة تشبه الهلام بكثافة 2 جم / مل. ما هي كثافة الكائن (مركب)؟
ρC = ρRالخامسR + ρGالخامسG = (5 جم / مل) (0.70) + (2 جم / مل) (0.30) = 3.5 + 0.6 = 4.1 جم / مل.