ลองพิจารณาในบทความว่าจะค้นหาความหนาแน่นได้อย่างไรและมันคืออะไร ในการออกแบบโครงสร้างและยานพาหนะจำนวนมาก พิจารณาลักษณะทางกายภาพหลายประการที่วัสดุเฉพาะต้องมี หนึ่งในนั้นคือความหนาแน่น
มวลและปริมาตร
ถอดรหัสความหมายของปริมาณทางกายภาพสองปริมาณที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับปริมาณนั้น นั่นคือมวลและปริมาตร ก่อนที่เราจะตอบคำถามวิธีการหาความหนาแน่น
มวลเป็นลักษณะเฉพาะที่อธิบายคุณสมบัติเฉื่อยของร่างกายและความสามารถในการแสดงแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน มวลมีหน่วยเป็นกิโลกรัมในระบบ SI
แนวคิดของมวลเฉื่อยและความโน้มถ่วงถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกในวิชาฟิสิกส์โดยไอแซก นิวตัน เมื่อกำหนดกฎของกลศาสตร์และความโน้มถ่วงสากล
ปริมาตรเป็นลักษณะเฉพาะทางเรขาคณิตของร่างกายซึ่งสะท้อนถึงส่วนของพื้นที่ในเชิงปริมาณ ปริมาตรมีหน่วยเป็นลูกบาศก์หน่วยของความยาว เช่น ใน SI คือลูกบาศก์เมตร
สำหรับรูปร่างที่รู้จัก(ขนาน, ลูกบอล, ปิรามิด) ค่านี้สามารถกำหนดได้ด้วยสูตรพิเศษ สำหรับวัตถุที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ผิดปกติ ปริมาตรจะถูกกำหนดโดยการแช่ลงในของเหลว
ความหนาแน่นของปริมาณทางกายภาพ
ตอนนี้คุณสามารถไปที่คำตอบของคำถามเกี่ยวกับวิธีค้นหาความหนาแน่นได้โดยตรง ลักษณะนี้กำหนดโดยอัตราส่วนของมวลกายต่อปริมาตรซึ่งเขียนทางคณิตศาสตร์ดังนี้
ρ=m/V.
ความเท่าเทียมกันนี้แสดงหน่วยของ ρ (kg/m3) ดังนั้น ความหนาแน่น มวล และปริมาตรสัมพันธ์กันด้วยความเท่าเทียมกันเดียว และค่าของ ρ สำหรับวัสดุใดๆ จะแสดงความเข้มข้นของปริมาตรของมวลนั้น
ยกตัวอย่างง่ายๆ กัน: ถ้าคุณเอาลูกบอลพลาสติกและเหล็กที่มีขนาดเท่ากันในมือของคุณ ลูกที่สองจะมีน้ำหนักมากกว่าลูกแรกมาก ข้อเท็จจริงนี้เกิดจากความหนาแน่นของเหล็กสูงเมื่อเทียบกับพลาสติก
อาการสำคัญอย่างหนึ่งของอัตราส่วนความหนาแน่นในธรรมชาติคือการลอยตัวของร่างกาย หากร่างกายมีความหนาแน่นต่ำกว่าของเหลว มันก็จะไม่มีวันจมลงไปในนั้น
ความหนาแน่นของวัสดุ
เมื่อพูดถึงความหนาแน่นของวัสดุบางชนิด พวกเขาหมายถึงของแข็ง ก๊าซและของเหลวก็มีความหนาแน่นที่แน่นอนเช่นกัน แต่เราจะไม่พูดถึงที่นี่
วัสดุที่เป็นของแข็งอาจเป็นผลึกหรืออสัณฐานก็ได้ ค่าของ ρ ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง ระยะห่างระหว่างอะตอม และมวลอะตอมและโมเลกุลของวัสดุ ตัวอย่างเช่น โลหะทั้งหมดเป็นคริสตัล และแก้วหรือไม้มีโครงสร้างอสัณฐาน ด้านล่างเป็นตารางแสดงความหนาแน่นของไม้ประเภทต่างๆ
โปรดทราบว่าในกรณีนี้ ความหนาแน่นเฉลี่ยจะได้รับ ในชีวิตจริง ต้นไม้แต่ละต้นมีลักษณะเฉพาะ ซึ่งรวมถึงช่องว่าง รูพรุน และความชื้นบางส่วนในไม้
ด้านล่างเป็นอีกโต๊ะ ในหน่วย g/cm3ความหนาแน่นขององค์ประกอบทางเคมีบริสุทธิ์ทั้งหมดที่อุณหภูมิห้องจะได้รับ
จากตารางจะเห็นได้ว่าธาตุทั้งหมดมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ ข้อยกเว้นคือโลหะสามชนิดเท่านั้น - ลิเธียม โพแทสเซียม และโซเดียม ซึ่งไม่จม แต่ลอยอยู่บนผิวน้ำ
ทดสอบความหนาแน่นอย่างไร
อันที่จริง มีสองเทคนิคในการกำหนดคุณลักษณะที่กำลังศึกษาอยู่ อย่างแรกคือการชั่งน้ำหนักร่างกายโดยตรงและวัดขนาดเชิงเส้น
ถ้ารูปทรงเรขาคณิตของร่างกายมีความซับซ้อน จะใช้วิธีการที่เรียกว่าไฮโดรสแตติก
สาระสำคัญมีดังนี้ ชั่งน้ำหนักร่างกายในอากาศก่อน สมมติว่าน้ำหนักที่ได้คือ P1 หลังจากนั้นชั่งน้ำหนักร่างกายในของเหลวที่มีความหนาแน่น ρl ให้น้ำหนักตัวในของเหลวเป็น P2 จากนั้นค่าความหนาแน่น ρ ของวัสดุที่ทำการศึกษาจะเป็น:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
นักเรียนแต่ละคนสามารถหาสูตรนี้ได้ด้วยตัวเองถ้าเขาพิจารณากฎของอาร์คิมิดีสสำหรับกรณีที่อธิบายไว้
ในอดีต เชื่อกันว่านักปราชญ์ชาวกรีก อาร์คิมิดีสใช้การชั่งน้ำหนักแบบอุทกสถิตเป็นครั้งแรกในการตัดสินมงกุฎทองคำปลอมเป็นครั้งแรก เครื่องชั่งไฮโดรสแตติกชุดแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยกาลิเลโอ กาลิเลอี เมื่อปลายศตวรรษที่ 16 ปัจจุบัน พิคโนมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องวัดความหนาแน่นถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการทดลองหาค่า ρ ในของเหลว ของแข็ง และก๊าซ
นิยามตามทฤษฎีของความหนาแน่น
คำถามเกี่ยวกับวิธีการหาความหนาแน่นในการทดลองถูกกล่าวถึงข้างต้น อย่างไรก็ตาม ρ ของวัสดุที่ไม่รู้จักนี้สามารถพบได้ในทางทฤษฎี ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องทราบชนิดของผลึกคริสตัล พารามิเตอร์ของโครงตาข่ายนี้ ตลอดจนมวลของอะตอมที่ก่อตัวขึ้น เนื่องจากคริสตัลแลตทิชชั้นประถมศึกษาใดๆ มีรูปทรงเรขาคณิต จึงสามารถหาสูตรสำหรับกำหนดปริมาตรได้ง่าย
หากวัสดุที่เป็นผลึกประกอบด้วยองค์ประกอบทางเคมีหลายอย่าง เช่น โลหะผสม ความหนาแน่นเฉลี่ยสามารถกำหนดได้โดยสูตรง่ายๆ ต่อไปนี้:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
โดยที่ mi, ρi คือมวลและความหนาแน่นขององค์ประกอบที่ i ตามลำดับ
หากวัสดุมีโครงสร้างอสัณฐาน ในทางทฤษฎี จะไม่สามารถระบุความหนาแน่นได้อย่างแม่นยำ และต้องใช้เทคนิคการทดลอง
