Мақалада тығыздықты қалай табуға болатынын және оның не екенін қарастырайық. Көптеген құрылымдар мен көліктерді жобалау кезінде белгілі бір материалда болуы керек бірқатар физикалық сипаттамалар ескеріледі. Олардың бірі - тығыздық.
Масса және көлем
Оған тікелей қатысы бар екі физикалық шаманың мағынасын ашыңыз - бұл масса және көлем. Тығыздықты қалай табуға болады деген сұраққа жауап бермес бұрын.
Масса – денелердің инерциялық қасиеттерін және олардың бір-біріне тартылыс күшін көрсету қабілетін сипаттайтын сипаттама. SI жүйесінде масса килограмммен өлшенеді.
Инерциялық және гравитациялық массалар ұғымдарын физикаға алғаш рет Исаак Ньютон механика және бүкіләлемдік тартылыс заңдарын тұжырымдау кезінде енгізген.
Көлем – дененің тек қана геометриялық сипаттамасы, ол алып жатқан кеңістік бөлігін сандық түрде көрсетеді. Көлем текше ұзындық бірліктерімен өлшенеді, мысалы, SI-де ол текше метр.
Белгілі пішіндегі денелер үшін(параллелепипед, шар, пирамида) бұл мәнді арнайы формулалар арқылы анықтауға болады, дұрыс емес геометриялық пішінді объектілер үшін көлемді сұйықтыққа батыру арқылы анықталады.
Физикалық шаманың тығыздығы
Енді тығыздықты қалай табуға болады деген сұрақтың жауабына тікелей өтуге болады. Бұл сипаттама дене массасының оның алып жатқан көлеміне қатынасымен анықталады, ол математикалық түрде былай жазылады:
ρ=м/В.
Бұл теңдік ρ (кг/м3) бірліктерін көрсетеді. Осылайша, тығыздық, масса және көлем бір теңдікпен байланысты және кез келген материал үшін ρ мәні оның массасының көлемдік концентрациясын көрсетеді.
Қарапайым мысал келтірейік: егер сіз қолыңызға бірдей көлемдегі пластик және темір шарларды алсаңыз, онда екіншісінің салмағы біріншіге қарағанда әлдеқайда көп болады. Бұл факт темірдің пластмассамен салыстырғанда жоғары тығыздығына байланысты.
Табиғаттағы тығыздықтардың қатынасының негізгі көріністерінің бірі денелердің қалқымалылығы болады. Егер дененің тығыздығы сұйықтықтан төмен болса, ол оған ешқашан батпайды.
Материалдардың тығыздығы
Белгілі бір материалдардың тығыздығы туралы айтқанда, олар қатты заттарды білдіреді. Газдар мен сұйықтықтардың да белгілі бір тығыздығы бар, бірақ біз бұл жерде олар туралы айтпаймыз.
Қатты материалдар кристалды немесе аморфты болуы мүмкін. ρ мәні материалдың құрылымына, атом аралық қашықтықтарына, атомдық және молекулалық массасына байланысты. Мысалы, барлық металдар кристалдар, ал шыны немесе ағаш бараморфты құрылым. Төменде әртүрлі ағаш түрлерінің тығыздығы кестесі берілген.
Бұл жағдайда орташа тығыздық берілгенін ескеріңіз. Шынайы өмірде әрбір ағаштың бірегей ерекшеліктері бар, соның ішінде қуыстар, тесіктер және ағашта ылғалдың белгілі бір пайызы болуы.
Төменде басқа кесте. Онда бөлме температурасындағы барлық таза химиялық элементтердің г/см3тығыздықтары берілген.
Кестеден барлық элементтердің тығыздығы судың тығыздығынан жоғары екенін көруге болады. Ерекшелік тек үш метал – литий, калий және натрий, олар суға батпайды, бірақ су бетінде қалқып тұрады.
Тығыздық тәжірибе жүзінде қалай өлшенеді?
Шын мәнінде, зерттелетін сипаттаманы анықтаудың екі әдісі бар. Біріншісі – денені тікелей өлшеп, оның сызықтық өлшемдерін өлшеу.
Егер дененің геометриялық пішіні күрделі болса, онда гидростатикалық деп аталатын әдіс қолданылады.
Оның мәні мынадай: әуелі денені ауада өлшеңіз. Алынған салмақ P1 болды деп есептейік. Осыдан кейін дене тығыздығы ρl белгілі сұйықтықта өлшенеді. Сұйықтықтағы дененің салмағы P2 болсын. Сонда зерттелетін материалдың ρ тығыздығының мәні мынандай болады:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Бұл формуланы әр оқушы Архимед заңын қарастыратын болса, өз бетінше ала алады.сипатталған жағдай үшін.
Тарихи деректерге сүйенсек, гидростатикалық салмақ өлшеуді алғаш рет грек философы Архимед жалған алтын тәжді анықтау үшін қолданған деген пікір бар. Алғашқы гидростатикалық таразыларды 16 ғасырдың аяғында Галилео Галилей ойлап тапты. Қазіргі уақытта сұйықтардағы, қатты денелердегі және газдардағы ρ мәнін эксперименталды түрде анықтау үшін электронды пикнометрлер мен тығыздық өлшегіштер кеңінен қолданылады.
Тығыздықтың теориялық анықтамасы
Тығыздықты тәжірибе арқылы қалай табуға болады деген сұрақ жоғарыда талқыланды. Алайда белгісіз материалдың бұл ρ мәнін теориялық түрде табуға болады. Ол үшін кристалдық тордың түрін, осы тордың параметрлерін, сондай-ақ оны құрайтын атомдардың массасын білу қажет. Кез келген қарапайым кристалдық тор белгілі геометриялық пішінге ие болғандықтан, оның көлемін анықтау формуласын оңай табуға болады.
Егер кристалдық материал металл қорытпалары сияқты бірнеше химиялық элементтерден тұрса, оның орташа тығыздығын келесі қарапайым формуламен анықтауға болады:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Мұндағы mi, ρi сәйкесінше i-ші құрамдас бөліктің массасы мен тығыздығы.
Егер материал аморфты құрылымға ие болса, онда теориялық тұрғыдан оның тығыздығын дәл анықтау мүмкін болмайды және тәжірибелік әдістерді қолдану қажет.
