Contenuto
- Cos'è la densità?
- Densità vs. gravità specifica
- Principio di Archimede
- Misura della densità dei solidi
- Densità composita dei solidi
Quando vedi o senti la parola densità, se hai familiarità con il termine, molto probabilmente evoca nella tua mente immagini di "affollamento": strade della città piene di marmellata, diciamo, o lo spessore insolito degli alberi in una parte di un parco nel tuo quartiere.
E in sostanza, ecco a cosa si riferisce la densità: una concentrazione di qualcosa, con enfasi non sulla quantità totale di qualcosa nella scena ma quanto è stato distribuito nello spazio disponibile.
La densità è un concetto critico nel mondo delle scienze fisiche. Offre un modo per relazionarsi di base importa - la roba della vita di tutti i giorni che di solito (ma non sempre) può essere vista e sentita o almeno in qualche modo catturata nelle misurazioni in un ambiente di laboratorio - nello spazio di base, la struttura stessa che usiamo per navigare nel mondo. Diversi tipi di materia sulla Terra possono avere densità molto diverse, anche all'interno del regno della sola materia solida.
La misurazione della densità dei solidi viene eseguita utilizzando metodi diversi da quelli impiegati nel dosaggio delle densità di liquidi e gas. Il modo più accurato per misurare la densità dipende spesso dalla situazione sperimentale e dal fatto che il campione includa solo un tipo di materia (materiale) con proprietà fisiche e chimiche note o più tipi.
Cos'è la densità?
In fisica, la densità di un campione di materiale è solo la massa totale del campione divisa per il suo volume, indipendentemente da come viene distribuita la materia nel campione (una preoccupazione che influisce sulle proprietà meccaniche del solido in questione).
Un esempio di qualcosa che ha una densità prevedibile all'interno di un determinato intervallo, ma ha anche livelli di densità notevolmente variabili in tutto, è il corpo umano, che è costituito da un rapporto più o meno fisso di acqua, ossa e altri tipi di tessuto.
Densità e massa sono spesso confuse peso, sebbene per ragioni forse diverse. Il peso è semplicemente la forza risultante dall'accelerazione della gravità che agisce sulla materia o massa: F = mg. Sulla Terra, l'accelerazione dovuta alla gravità ha il valore di 9,8 m / s2. UN massa di 10 kg ha quindi a peso di (10 kg) (9,8 m / s2) = 98 Newton (N).
Il peso stesso è anche confuso con la densità, per la semplice ragione che dati due oggetti della stessa dimensione, quello con una densità maggiore peserà di più. Questa è la base della vecchia domanda trabocchetto: "Che pesa di più, una libbra di piume o una libbra di piombo?" Una sterlina è una sterlina, non importa quale, ma la chiave qui è che la libbra di piume occuperà molto più spazio di una libbra di piombo a causa della densità di piombo molto maggiore.
Densità vs. gravità specifica
Un termine fisico strettamente legato alla densità è peso specifico (SG). Questa è solo la densità di un dato materiale divisa per la densità dell'acqua. La densità dell'acqua è definita per essere esattamente 1 g / mL (o equivalentemente, 1 kg / L) a temperatura ambiente normale, 25 ° C. Questo perché la definizione stessa di un litro in unità SI (sistema internazionale o "metrico") è la quantità di acqua che ha una massa di 1 kg.
In superficie, quindi, questo sembrerebbe rendere SG un'informazione piuttosto banale: perché dividere per 1? In effetti, ci sono due ragioni. Uno è che la densità dell'acqua e di altri materiali varia leggermente con la temperatura anche all'interno di intervalli di temperatura ambiente, quindi quando sono necessarie misurazioni precise, questa variazione deve essere presa in considerazione perché il valore di ρ dipende dalla temperatura.
Inoltre, mentre la densità ha unità di g / mL o simili, SG è senza unità, perché è solo una densità divisa per una densità. Il fatto che questa quantità sia semplicemente una costante semplifica alcuni calcoli che implicano la densità.
Principio di Archimede
Forse risiede la più grande applicazione pratica della densità dei materiali solidi Principio di Archimede, scoperto millenni fa da uno studioso greco con lo stesso nome. Questo principio afferma che, quando un oggetto solido viene inserito in un fluido, l'oggetto è soggetto a una rete verso l'alto forza di galleggiamento uguale a peso del fluido spostato.
Questa forza è la stessa indipendentemente dal suo effetto sull'oggetto, che potrebbe essere quello di spingerlo verso la superficie (se la densità dell'oggetto è inferiore a quella del fluido), consentirgli di galleggiare perfettamente in posizione (se la densità di l'oggetto è esattamente uguale a quello del fluido) o lasciarlo affondare (se la densità dell'oggetto è maggiore di quella del fluido).
Simbolicamente, questo principio è espresso come FB = Wf, dove FB è la forza di galleggiamento e Wf è il peso del fluido spostato.
Misura della densità dei solidi
Dei vari metodi usati per determinare la densità di un materiale solido, pesatura idrostatica è il preferito perché è il più preciso, se non il più conveniente. La maggior parte dei materiali solidi di interesse non si presenta sotto forma di forme geometriche ordinate con volumi facilmente calcolabili, che richiedono una determinazione indiretta del volume.
Questa è una delle molte sfere della vita che il principio di Archimede è utile. Un soggetto viene pesato sia in aria che in un fluido di densità nota (l'acqua è ovviamente una scelta utile). Se un oggetto con una massa "terrestre" di 60 kg (W = 588 N) sposta 50 L di acqua quando è immerso per la pesatura, la sua densità deve essere di 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.
Se, in questo esempio, desiderassi mantenere questo oggetto più denso dell'acqua sospeso in posizione applicando una forza ascendente oltre alla forza di galleggiamento, quale sarebbe la grandezza di questa forza? Calcoli semplicemente la differenza tra il peso dell'acqua spostata e il peso dell'oggetto: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s2) = 98 N.
Densità composita dei solidi
A volte ti viene presentato un oggetto che contiene più di un tipo di materiale, ma a differenza dell'esempio del corpo umano, contiene questi materiali in modo uniformemente distribuito. Cioè, se prendessi un piccolo campione del materiale, avrebbe lo stesso rapporto tra materiale A e materiale B dell'intero oggetto.
Una situazione in cui ciò si verifica è nell'ingegneria strutturale, dove travi e altri elementi di supporto sono spesso realizzati in due tipi di materiale: matrice (M) e fibra (F). Se disponi di un campione di questo raggio costituito da un rapporto di volume noto di questi due elementi e conosci le loro densità individuali, puoi calcolare la densità del composito (ρC) usando la seguente equazione:
ρC = ρFVF + ρMVM,
Dove ρF e ρM e VF e Vm sono le densità e le frazioni di volume (cioè la percentuale del fascio costituito da fibra o matrice, convertita in un numero decimale) di ciascun tipo di materiale.
Esempio: Un campione da 1.000 ml di un oggetto misterioso contiene il 70% di materiale roccioso con una densità di 5 g / mL e il 30% di materiale gelatinoso con una densità di 2 g / mL. Qual è la densità dell'oggetto (composito)?
ρC = ρRVR + ρsolVsol = (5 g / mL) (0.70) + (2 g / mL) (0.30) = 3.5 + 0.6 = 4,1 g / mL.