TEMAT:
METODY WYZNACZANIA GĘSTOŚCI CIAŁ (CIECZE, CIAŁA STAŁE) PRZY POMOCY PRAWA ARCHIMEDESA I PASCALA.
Zanim zacznę omawianie metod wyznaczania gęstości przy pomocy Prawa Archimedesa oraz Prawa Pascala, chciałabym krótko wyjaśnić, czym jest samo pojęcie gęstości oraz krótko scharakteryzować postacie, o których mowa powyżej.
Gęstość (masa właściwa) - masa jednostki objętości, dla substancji jednorodnych określana jako stosunek masy (m) do objętości (V):
Dla substancji niejednorodnych zależy od punktu substancji i określana wówczas jako granica stosunku masy do objętości, gdy objętość obejmuje coraz mniejsze objętości obejmujące punkt:
gdzie m oznacza masę ciała (jako funkcję objętości), zaś V jego objętość.
Jednostki gęstości: kilogram na metr sześcienny - kg/m3 (układ SI), kg/l, g/cm3 (CGS).
Gęstość jest cechą charakterystyczną substancji, a w określonych warunkach standardowych stanowi jedną z najważniejszych cech substancji - służy do obliczania masy i ciężaru określonej objętości substancji.
m = ρV
Gęstość ciał stałych wyznacza się przez ich ważenie, przy wyznaczaniu gęstości cieczy stosuje się areometry. Aerometry stosowane w cieczy o znanej gęstości mogą służyć do wyznaczania gęstości ciał stałych. Przy wyznaczaniu gęstości gazów stosuje się metody ważenia naczyń z gazem o różnym ciśnieniu gazu.
Gęstość większości substancji zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury (jednym z wyjątków jest woda w temperaturze poniżej 4°C) zjawisko to wynika z rozszerzalności cieplnej ciał. Podczas przemian fazowych gęstość zmienia się skokowo, podczas krzepnięcia zazwyczaj wzrasta (najbardziej znanymi wyjątkami są woda, żeliwo, ołów).
Archimedes – żył w latach ok. 287-212 p.n.e., grecki matematyk, fizyk i wynalazca; jeden z najwybitniejszych uczonych starożytności.
Żył w Syrakuzach na Sycylii. Był synem astronoma i spędzał życie na studiowaniu geometrii oraz opracowywaniu nowych typów maszyn.
Jego najsłynniejszym wynalazkiem był przenośnik ślimakowy, zwany śrubą Archimedesa, służący do transportu w górę wody lub ziarna. Do dzisiaj, w okolicach gdzie nie ma pomp stosuje się go do nawadniania pól.
Odkrył również zasadę działania dźwigni i bloków. Był twórcą podstaw statyki (zasada dźwigni) i hydrostatyki (prawo Archimedesa i jego słynne: "Eureka"), podał metody obliczania objętości brył i pól figur, oszacował dość dokładnie liczbę pi.
Budował machiny obronne; w czasie II wojny punickiej kierował obroną Syrakuz. Przypisuje mu się wynalezienie wielokrążka, dźwigu do podnoszenia i wywracania do góry dnem rzymskich statków, oraz zwierciadeł kulistych, które - skupiając promienie słoneczne - podpalały rzymską flotę.
Był konstruktorem największego okrętu starożytności "Syrakuzja", o długości 150 metrów.
Zabity przez żołnierza rzymskiego po zdobyciu Syrakuz. Na jego kamieniu nagrobnym wyryto cylinder zawierający kulę - na znak, że zmarły był wielkim matematykiem.
Blaise Pascal urodził się 19 czerwca 1623 w Clermont-Ferrand we Francji. Jego matka Antoinette Begon, zmarła gdy miał trzy lata, ojciec Étienne Pascal (1588–1651) przeprowadził się z rodziną do Paryża. Blaise miał dwie siostry: Ojciec Pascala sprowadzał do swego domu prywatnych nauczycieli. Młody naukowiec przebywał w towarzystwie wybitnych osobistości, takich jak: Marin Mersenne, Pierre de Fermat, Gilles de Roberval, Gérard Desargues, Claude Mydorge, Pierre Gassendi i Descartes, kształcąc się i rozwijając swe zainteresowania. Blaise Pascal odznaczał się nieprzeciętnymi zdolnościami już w wieku młodzieńczym. W wieku 16 lat napisał krótką rozprawę o przecięciach stożkowych oraz odkrył twierdzenie Pascala. W wieku 24 lat odkrył prawo ciśnienia w cieczach tzw. Prawo Pascala oraz rachunek prawdopodobieństwa. Poświęcił się początkowo studiom matematycznym i fizycznym (pierwszy użył barometru do oznaczenia wzniesienia nad poziom morza). W roku 1640 rodzina Pascalów przeniosła się do Rouen, gdzie Blaise pomagał swemu ojcu w prowadzeniu księgowości. Wskutek nieszczęśliwego wypadku, którego padł ofiarą na moście Neuilly, skierował swój umysł w stronę zagadnień filozoficzno-religijnych. W roku 1656 zerwał z paryskim życiem towarzyskim i osiedlił się w pobliżu Port-Royal, zbliżył się do jansenistów i oddał studiom religijno - filozoficznym. Zaczął utrzymywać bliskie kontakty z klasztorem Port-Royal w Paryżu, jednym z największych centrów jansenizmu. Zmarł 19 sierpnia 1662 roku wyczerpany chorobami w Paryżu.
Wyznaczanie gęstości regularnych brył i cieczy
Dla regularnych brył wyznaczanie gęstości sprowadza się do bezpośredniego pomiaru masy oraz wymiarów geometrycznych. Po obliczeniu V (objętości) danej bryły i podstawieniu do wzoru
możemy wyznaczyć gęstość tej bryły. Objętość brył o nieregularnych kształtach mierząc objętość wypartej cieczy po zanurzeniu bryły w cylindrze miarowym. Objętość bryły określa
się jako różnicę objętości końcowej Vk i początkowej Vp:
Pomiar objętości z użyciem cylindra miarowego
W przypadku ciał o dużych wymiarach, można zmierzyć objętość cieczy wypływającej ze zlewki wypełnionej jakąś cieczą do pełna.
Pomiar objętości dużej bryłki z użyciem zlewki i cylindra miarowego
Zastosowanie prawa Archimedesa do wyznaczania gęstości
Siła wyporu działająca na ciało zanurzone w płynie jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało
Korzystając z prawa Archimedesa, możemy wyznaczyć gęstość ciała stałego lub cieczy. Ciało stałe zawieszamy na wadze sprężynowej i mierzymy wartość jego ciężaru
Następnie zanurzamy je w cieczy o znanej gęstości (np. w wodzie) i odczytujemy wskazanie wagi R.
- siła sprężystości sprężyny wagi
- siła wyporu
- ciężar ciała
Na ciało zanurzone w cieczy działają trzy siły:
Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki wartość siły, którą ciało działa na sprężynę wagi, jest także równa R i tę wartość odczytaliśmy w pomiarze.
Korzystając z danych uzyskanych w doświadczeniu, możemy obliczyć objętość V wypartej cieczy, równą objętości ciała:
Gęstość ciała ρx obliczamy z definicji gęstości:
- wskazanie wagi, gdy ciało jest zanurzone w cieczy
- wskazanie wagi w przypadku, gdy ciało jest zanurzone w wodzie
- wskazanie wagi, gdy ciało jest w powietrzu
Podobnie można wyznaczyć gęstość cieczy (ρc). Ciało pomocnicze, które tonie zarówno w wodzie, jak i w badanej cieczy ważymy trzykrotnie:
Z powyższych równań obliczamy objętość ciała pomocniczego V i wyniki przyrównujemy:
skąd wiadomo, że:
Zastosowanie prawa Pascala do wyznaczania gęstości
Ciśnienie spowodowane działaniem z zewnątrz sił na ciecz lub gaz jest przekazywane we wszystkich kierunkach jednakowo
W przypadku różnych cieczy nie mieszających się ze sobą, możemy przeprowadzić następujące rozumowanie:
jeśli ciecze znajdują się w równowadze, czyli poziom zetknięcia cieczy nie przesuwa się ani w górę, ani w dół, ciśnienie słupów cieczy o wysokościach h1 i h2 (mierzone od poziomu zetknięcia cieczy) są jednakowe:
p1 = p2
h1 ρ1 g = h2 ρ2 g
czyli:
h1 ρ1 = h2 ρ2
Ze wzoru wynika, że wysokości słupów dwóch różnych cieczy w naczyniach połączonych, mierzone od poziomu zetknięcia cieczy, są odwrotnie proporcjonalne do gęstości cieczy.
mechanikk