Maraming katangian ng mga solid at likido na kinakaharap natin sa pang-araw-araw na buhay ay nakadepende sa kanilang density. Ang isa sa mga tumpak at kasabay na simpleng pamamaraan para sa pagsukat ng density ng likido at solidong katawan ay hydrostatic weighing. Isaalang-alang kung ano ito at kung anong pisikal na prinsipyo ang pinagbabatayan ng gawain nito.
Batas ni Archimedes
Ito ang pisikal na batas na bumubuo sa batayan ng hydrostatic weighing. Ayon sa kaugalian, ang pagtuklas nito ay iniuugnay sa pilosopong Griyego na si Archimedes, na nakilala ang pekeng korona ng ginto nang hindi ito sinisira o gumagawa ng anumang pagsusuri sa kemikal.
Posibleng bumalangkas ng batas ni Archimedes tulad ng sumusunod: ang isang katawan na nakalubog sa isang likido ay inilipat ito, at ang bigat ng inilipat na likido ay katumbas ng puwersa ng buoyancy na kumikilos sa katawan nang patayo.
Napansin ng marami na mas madaling hawakan ang anumang mabigat na bagay sa tubig kaysa sa hangin. Ang katotohanang ito ay isang pagpapakita ng pagkilos ng puwersa ng buoyancy, na ganoon dintinatawag na Archimedean. Iyon ay, sa mga likido, ang maliwanag na bigat ng mga katawan ay mas mababa kaysa sa kanilang tunay na bigat sa hangin.
Hydrostatic pressure at Archimedean force
Ang sanhi ng puwersa ng buoyancy na kumikilos sa ganap na anumang solidong katawan na inilagay sa isang likido ay hydrostatic pressure. Kinakalkula ito ng formula:
P=ρl gh
Kung saan ang h at ρl ay ang lalim at density ng likido, ayon sa pagkakabanggit.
Kapag ang isang katawan ay inilubog sa isang likido, ang markang presyon ay kumikilos dito mula sa lahat ng panig. Ang kabuuang presyon sa gilid na ibabaw ay lumalabas na zero, ngunit ang mga presyon na inilapat sa ibaba at itaas na mga ibabaw ay magkakaiba, dahil ang mga ibabaw na ito ay nasa magkaibang lalim. Ang pagkakaibang ito ay nagreresulta sa isang buoyancy force.
Ayon sa batas ni Archimedes, ang isang katawan na nakalubog sa isang likido ay nagpapalipat-lipat sa bigat ng huli, na katumbas ng buoyant force. Pagkatapos ay maaari mong isulat ang formula para sa puwersang ito:
FA=ρl Vl g
Ang simbolo na Vl ay tumutukoy sa dami ng likidong inilipat ng katawan. Malinaw, ito ay magiging katumbas ng volume ng katawan kung ang huli ay ganap na nalulubog sa likido.
Ang lakas ng Archimedes FAay depende sa dalawang dami lamang (ρl at Vl). Hindi ito nakadepende sa hugis ng katawan o sa density nito.
Ano ang hydrostatic balance?
Inimbento sila ni Galileo sa pagtatapos ng ika-16 na siglo. Ang isang eskematiko na representasyon ng balanse ay ipinapakita sa figure sa ibaba.
Sa katunayan, ito ay mga ordinaryong kaliskis, ang prinsipyo ng pagpapatakbo nito ay nakabatay sa balanse ng dalawang lever ng parehong haba. Sa dulo ng bawat pingga ay may isang tasa kung saan maaaring ilagay ang maraming kilalang masa. Ang isang kawit ay nakakabit sa ilalim ng isa sa mga tasa. Ito ay ginagamit para sa pagbitin ng mga kargada. May kasama ring glass beaker o cylinder ang scale.
Sa figure, ang mga letrang A at B ay minarkahan ang dalawang metal cylinder na magkapareho ang volume. Ang isa sa kanila (A) ay guwang, ang isa (B) ay solid. Ang mga cylinder na ito ay ginagamit upang ipakita ang prinsipyo ni Archimedes.
Ang balanseng inilarawan ay ginagamit upang matukoy ang density ng hindi kilalang mga solid at likido.
Hydrostatic weighing method
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga kaliskis ay napakasimple. Ilarawan natin ito.
Ipagpalagay na kailangan nating tukuyin ang density ng ilang hindi kilalang solid na may arbitraryong hugis. Upang gawin ito, ang katawan ay sinuspinde mula sa kawit ng kaliwang sukat at ang masa nito ay sinusukat. Pagkatapos ang tubig ay ibinuhos sa baso at, inilalagay ang baso sa ilalim ng isang nasuspinde na pagkarga, ito ay nahuhulog sa tubig. Ang puwersa ng Archimedean ay nagsimulang kumilos sa katawan, nakadirekta pataas. Ito ay humahantong sa isang paglabag sa dating itinatag na balanse ng mga timbang. Upang maibalik ang balanseng ito, kinakailangang mag-alis ng ilang partikular na bilang ng mga timbang mula sa pangalawang mangkok.
Ang pag-alam sa bigat ng sinusukat na katawan sa hangin at tubig, pati na rin ang pag-alam sa density ng huli, maaari mong kalkulahin ang density ng katawan.
Ang
Hydrostatic weighing ay nagpapahintulot din sa iyo na matukoy ang density ng isang hindi kilalang likido. Para ditokinakailangang timbangin ang isang di-makatwirang timbang na nakakabit sa isang kawit sa isang hindi kilalang likido, at pagkatapos ay sa isang likido na ang density ay tiyak na tinutukoy. Ang sinusukat na data ay sapat upang matukoy ang density ng hindi kilalang likido. Isulat natin ang kaukulang formula:
ρl2=ρl1 m2 / m 1
Dito ρl1 ay ang density ng isang kilalang likido, ang m1 ay ang sinusukat na bigat ng katawan sa loob nito, m 2 - bigat ng katawan sa hindi kilalang likido, ang density nito (ρl2) ay kailangang matukoy.
Pagpapasiya ng pekeng gintong korona
Ating lutasin ang problemang nalutas ni Archimedes mahigit dalawang libong taon na ang nakararaan. Gamitin natin ang hydrostatic weighing ng ginto para matukoy kung peke ang royal crown.
Gamit ang hydrostatic balance, natagpuan na ang korona sa hangin ay may mass na 1.3 kg, at sa distilled water ang masa nito ay 1.17 kg. Ginto ba ang korona?
Ang pagkakaiba sa mga timbang ng korona sa hangin at sa tubig ay katumbas ng puwersa ng buoyancy ni Archimedes. Isulat natin ang pagkakapantay-pantay na ito:
FA=m1 g - m2 g
I-substitute natin ang formula para sa FA sa equation at ipahayag ang volume ng katawan. Kunin ang:
m1 g - m2 g=ρl V l g=>
Vs=Vl=(m1- m 2) / ρl
Ang dami ng inilipat na likido Vl ay katumbas ng volume ng katawan Vs dahil ganap itong nahuhulog satubig.
Alam ang volume ng korona, madali mong makalkula ang density nito ρs gamit ang sumusunod na formula:
ρs=m1 / Vs=m 1 ρl / (m1- m2)
I-substitute ang kilalang data sa equation na ito, makakakuha tayo ng:
ρs=1.31000 / (1.3 - 1.17)=10,000 kg/m3
Nakuha namin ang density ng metal kung saan gawa ang korona. Sa pagtukoy sa talahanayan ng density, nakikita namin na ang halagang ito para sa ginto ay 19320 kg/m3.
Kaya, ang korona sa eksperimento ay hindi gawa sa purong ginto.
