Розглянемо у статті, як знайти щільність, і що це таке. При проектуванні багатьох конструкцій транспортних засобів враховується ряд фізичних характеристик, якими повинен володіти конкретний матеріал. Однією з них є щільність.

Маса і об'єм

Розшифруємо значення двох фізичних величин, які до неї мають безпосереднє відношення - це маса і об'єм. Перш, ніж ми відповімо на питання, як знайти щільність. Масою називається така характеристика, яка описує інерційні властивості тіл і їх здатність проявляти гравітаційне тяжіння один до одного. Маса вимірюється в кілограмах в системі СІ. Поняття інерційною і гравітаційної мас були вперше введені у фізику Ісааком Ньютоном при формулюванні законів механіки і Всесвітнього тяжіння. Обсяг - це виключно геометрична характеристика тіла, яка відображає кількісно частину займаного їм простору. Вимірюється об'єм у кубічних одиницях довжини, наприклад, в СІ це метри в кубі. Для тіл відомої форми (паралелепіпед, куля, піраміда) цю величину можна визначити за спеціальними формулами для об'єктів же неправильної геометричної форми обсяг визначають за допомогою занурення їх у рідина.

Фізична величина щільність

Тепер можна переходити безпосередньо до відповіді на питання, як знайти щільність. Ця характеристика визначається відношенням маси тіла до об'єму, який вона займає, що математично записується так: ? = m/V. Ця рівність показує одиниці вимірювання величини ? (кг/м 3 ). Таким чином, щільність маса і об'єм пов'язані єдиним рівнянням, причому величина ? для будь-якого матеріалу показує об'ємну концентрацію його маси. Наведемо простий приклад: якщо взяти в руку пластмасовий і залізний кульки однакового розміру, то другий буде мати набагато більшу вагу, ніж перший. Цей факт пов'язаний з великою щільністю заліза порівняно з такою для пластмаси. Одним з основних проявів співвідношення щільностей в природі плавучість тел. Якщо тіло має меншу щільність, ніж рідина, то воно в неї ніколи не потоне.

Щільність матеріалів

Коли мову ведуть про щільності певних матеріалів, то мають на увазі тверді речовини. Гази і рідини теж мають певну щільність, але тут ми про них говорити не будемо. Тверді матеріали можуть мати кристалічну або аморфну будову. Величина ? залежить від будови, міжатомних відстаней і атомних і молекулярних мас матеріалів. Наприклад, всі метали - це кристали, а скло або дерево мають аморфну будову. Нижче наведемо таблицю щільності різних сортів дерева. Звертаємо увагу, що в даному випадку наводиться середня щільність. В реальних умовах кожне дерево володіє унікальними особливостями, включаючи порожнечі, пори і наявність деякого відсотка вологи в деревині.

Нижче приведена ще одна таблиця. У ній г/см 3 дані щільності всіх чистих хімічних елементів, які знаходяться при кімнатній температурі. Видно з таблиці, що всі елементи мають щільність більше, ніж у води. Виняток становлять лише три металу - літій, калій і натрій, які плавають на поверхні води.

Як вимірюють щільність експериментально?

По суті, існують дві техніки визначення досліджуваної характеристики. Перша полягає в безпосередньому зважуванні тіла та вимірюванні його лінійних розмірів. Якщо ж геометрична форма тіла складна, тоді використовують так званий гідростатичний метод. Його суть полягає в наступному: спочатку зважують тіло на повітрі. Припустимо, що отриманий вага склала P 1 . Після цього зважують тіло в рідині з відомою густиною ? l . Нехай вага тіла в рідині дорівнює P 2 . Тоді значення густини ? досліджуваного матеріалу становитиме: ? = ? l *P 1 /(P 1 -P 2 ). Цю формулу може отримати кожен школяр самостійно, якщо розгляне закон Архімеда для описаного випадку. Історично вважається, що вперше гідростатичне зважування використав грецький філософ Архімед для визначення підробки золотої корони. Перші ж гідростатичні ваги були винайдені Галілео Галілеєм в кінці XVI століття. В даний час для експериментального визначення величини ? рідин, твердих тіл і газів широко використовуються електронні пікнометри і плотномери.

Теоретичне визначення щільності

Вище було розглянуто питання, як знайти щільність експериментально. Тим не менш, цю знайти ? невідомого матеріалу можна теоретичним шляхом. Для цього необхідно знати тип кристалічної решітки, параметри цієї сітки, а також масу утворюючих її атомів. Оскільки будь-яка елементарна кристалічна решітка має певну геометричну форму, то нескладно знайти формулу для визначення її обсягу. Якщо кристалічний матеріал складається з декількох хімічних елементів, наприклад, металеві сплави, то його середню густину можна визначити за такою простою формулою: ? = ?m i /?(m i /? i ). Де m i , ? i - маса і щільність i-го компонента, відповідно. Якщо матеріал має аморфну структуру, то теоретично визначити точно його щільність не вийде, і необхідно використовувати експериментальні техніки.