Hur man bestämmer densiteten av fasta material

När du ser eller hör ordet ​densitet,​ om du överhuvudtaget är bekant med termen, framkallar det med största sannolikhet bilder av ”trånghet” ”: proppfulla stadsgator, säg, eller den ovanliga tjockleken på träden i en del av en park i ditt grannskap.

Och i huvudsak är det vad densitet syftar på: en koncentration av något, med betoning inte på den totala mängden av någonting i scenen men hur mycket har distribuerats till det tillgängliga utrymmet.

Täthet är ett kritiskt begrepp inom de fysiska vetenskaperna värld. Det erbjuder ett sätt att relatera grundläggande ​materia –​ de saker i vardagen som vanligtvis (men inte alltid) kan vara ses och kännas eller åtminstone på något sätt fångas i mätningar i en laboratoriemiljö – till grundläggande rymden, själva ramverket vi använder för att navigera i världen. Olika typer av materia på jorden kan ha väldigt olika densitet, även inom enbart fast materia.

Densitetsmätningen av fasta ämnen utförs med metoder som skiljer sig från de som används för att analysera tätheten hos vätskor och gaser. Det mest exakta sättet att mäta densitet beror ofta på den experimentella situationen och på om ditt prov bara innehåller en typ av material (material) med kända fysikaliska och kemiska egenskaper eller flera typer.

Vad är densitet?

Inom fysiken är ​tätheten för ett materialprov bara den totala massan av provet dividerat med dess volym​, oavsett hur materialet i provet är fördelat (en oro som påverkar de mekaniska egenskaperna hos det fasta ämnet i fråga).

Ett exempel på något som har en förutsägbar densitet inom ett givet intervall, men som också har kraftigt varierande nivåer av densitet genomgående, är människokroppen, som består av ett mer eller mindre fast förhållande av vatten, ben och andra typer av vävnad. Densiteten uttrycks med den grekiska bokstaven rho: rho= frac{m}{V}

Densitet och massa förväxlas ofta med ​vikt​, även om det kanske är av olika anledningar. Vikt är helt enkelt kraften som härrör från tyngdaccelerationen som verkar på materia, eller massa: F=mg

På jorden, accelerationen pga. till gravitationen har värdet 9,8 m/s². En ​massa på 10 kg har alltså en ​vikt på (10 kg)(9,8 m/s2) = 98 Newton (N).

Vikten i sig förväxlas också med densitet, av den enkla anledningen att givet två föremål av samma storlek, den med högre densitet kommer faktiskt att väga mer. Detta är grunden för den gamla trickfrågan, ”Vad väger mer, ett halvt kilo fjädrar eller ett halvt kilo bly?” Ett pund är ett pund oavsett vad, men nyckeln här är att ett pund fjädrar kommer att ta upp mycket mer plats än ett pund bly på grund av blyets mycket större densitet.

Täthet kontra specifik vikt

En fysikterm som är nära relaterad till densitet är ​specifik vikt​ (SG ). Detta är bara densiteten för ett givet material dividerat med vattnets densitet. Vattnets densitet definieras till att vara exakt 1 g/ml (eller motsvarande 1 kg/L) vid normal rumstemperatur, 25 °C. Detta beror på att själva definitionen av en liter i SI-enheter (internationellt system, eller ”metriska”) är mängden vatten som har en massa på 1 kg.

På ytan verkar detta göra SG till en ganska trivial del av information: Varför dividera med 1? Det finns faktiskt två skäl. En är att densiteten för vatten och andra material varierar något med temperaturen även inom rumstemperaturområden, så när exakta mätningar behövs måste denna variation beaktas eftersom värdet på ρ är temperaturberoende.

Också, medan densitet har enheter av g/mL eller liknande är SG enhetslös, eftersom det bara är en densitet dividerad med en densitet. Det faktum att denna kvantitet bara är en konstant gör vissa beräkningar som involverar densitet lättare.

Arkimedes princip

Den kanske största praktiska tillämpningen av densiteten hos fasta material ligger i ​Archimedes princip​, upptäckt för årtusenden sedan av en grekisk forskare med samma namn . Denna princip hävdar att, när ett fast föremål placeras i en vätska, utsätts föremålet för en netto uppåtgående ​flytkraft​ lika med ​vikten ​ av den undanträngda vätskan.

Denna kraft är densamma oavsett dess effekt på föremålet, vilket kan vara att trycka det mot ytan ( om föremålets densitet är mindre än vätskans, låt det flyta perfekt på plats (om föremålets densitet är exakt lika med vätskans) eller låt det sjunka (om föremålets densitet är större än vätskans).

Symboliskt uttrycks denna princip som ​FB = Wf,​ där ​F​ B är den flytande kraften och ​W​ f är vikten av den förträngda vätskan.

Densitetsmätning av fasta ämnen

Av de olika metoder som används för att bestämma densiteten hos ett fast material, ​hydrostatisk vägning​ är att föredra eftersom det är den mest exakta, om inte den mest bekväma. De flesta fasta material av intresse är inte i form av snygga geometriska former med lättberäknade volymer, vilket kräver en indirekt bestämning av volymen.

Detta är en av de många samhällsområden som Arkimedes princip kommer in i praktisk. Ett ämne vägs i både luft och i en vätska med känd densitet (vatten är uppenbarligen ett användbart val). Om ett föremål med en ”land” massa på 60 kg (W = 588 N) tränger undan 50 L vatten när det sänks ned för vägning, måste dess densitet vara 60 kg/50 L = 1,2 kg/L.