توزین هیدرواستاتیک: اصل عملکرد، تعیین تاج طلای جعلی

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

بسیاری از خواص جامدات و مایعات که در زندگی روزمره با آنها سروکار داریم به چگالی آنها بستگی دارد. یکی از روش های دقیق و در عین حال ساده برای اندازه گیری چگالی اجسام مایع و جامد، توزین هیدرواستاتیکی است. در نظر بگیرید که چیست و چه اصل فیزیکی زیربنای کار آن است.

قانون ارشمیدس

این قانون فیزیکی است که اساس توزین هیدرواستاتیک را تشکیل می دهد. به طور سنتی، کشف آن به ارشمیدس فیلسوف یونانی نسبت داده می شود، که توانست تاج طلای تقلبی را بدون از بین بردن آن یا انجام هیچ گونه تجزیه و تحلیل شیمیایی شناسایی کند.

قانون ارشمیدس را می توان به صورت زیر فرموله کرد: جسمی که در یک مایع غوطه ور شده است آن را جابجا می کند و وزن مایع جابجا شده برابر با نیروی شناوری است که به طور عمودی بر روی جسم وارد می شود.

بسیاری متوجه شده اند که نگه داشتن هر جسم سنگین در آب بسیار آسان تر از هوا است. این واقعیت نمایشی از عمل نیروی شناوری است، که همچنین استارشمیدسی نامیده می شود. یعنی در مایعات، وزن ظاهری اجسام کمتر از وزن واقعی آنها در هوا است.

فشار هیدرواستاتیک و نیروی ارشمیدسی

علت نیروی شناوری که بر روی هر جسم جامدی که در یک مایع قرار می گیرد، عمل می کند، فشار هیدرواستاتیک است. با فرمول محاسبه می شود:

P=ρ_l gh

که در آن h و ρ_l به ترتیب عمق و چگالی مایع هستند.

هنگامی که جسمی در یک مایع غوطه ور می شود، فشار مشخصی از هر طرف روی آن وارد می شود. فشار کل روی سطح جانبی صفر است، اما فشارهای اعمال شده به سطوح پایین و بالایی متفاوت است، زیرا این سطوح در اعماق مختلف قرار دارند. این تفاوت منجر به نیروی شناوری می شود.

طبق قانون ارشمیدس، جسمی که در یک مایع غوطه ور شده است، وزن مایع دوم را جابجا می کند که برابر با نیروی شناور است. سپس می توانید فرمول این نیرو را بنویسید:

F_A=ρ_l V_l g

نماد V_l نشان دهنده حجم مایع جابجا شده توسط بدن است. بدیهی است که اگر بدن به طور کامل در مایع غوطه ور شود برابر با حجم بدن خواهد بود.

قدرت ارشمیدس F_A فقط به دو کمیت بستگی دارد (ρ_l و V_l). این به شکل بدن یا تراکم آن بستگی ندارد.

تعادل هیدرواستاتیک چیست؟

گالیله آنها را در پایان قرن شانزدهم اختراع کرد. یک نمایش شماتیک از تعادل در شکل زیر نشان داده شده است.

در واقع اینها ترازوهای معمولی هستند که اصل عملکرد آنها بر اساس تعادل دو اهرم با طول یکسان است. در انتهای هر اهرم یک فنجان وجود دارد که می توان بارهایی با جرم شناخته شده را در آن قرار داد. یک قلاب به پایین یکی از فنجان ها وصل شده است. برای آویزان کردن بارها استفاده می شود. ترازو به همراه یک لیوان یا سیلندر شیشه ای نیز ارائه می شود.

در شکل، حروف A و B دو استوانه فلزی با حجم مساوی را نشان می دهند. یکی از آنها (A) توخالی است، دیگری (B) جامد است. این استوانه ها برای نشان دادن اصل ارشمیدس استفاده می شوند.

تعادل توصیف شده برای تعیین چگالی جامدات و مایعات ناشناخته استفاده می شود.

روش توزین هیدرواستاتیک

اصل عملکرد ترازو بسیار ساده است. بیایید آن را توصیف کنیم.

فرض کنید که باید چگالی یک جامد ناشناخته را که دارای شکل دلخواه است تعیین کنیم. برای این کار بدن را از قلاب ترازو سمت چپ آویزان کرده و جرم آن را اندازه گیری می کنند. سپس آب درون لیوان ریخته شده و با قرار دادن لیوان زیر بار معلق، در آب غوطه ور می شود. نیروی ارشمیدسی شروع به عمل روی بدن می کند و به سمت بالا هدایت می شود. این منجر به نقض تعادل وزنی تعیین شده قبلی می شود. برای بازگرداندن این تعادل باید تعداد معینی وزنه را از کاسه دوم بردارید.

با دانستن جرم جسم اندازه گیری شده در هوا و آب و همچنین دانستن چگالی دومی، می توانید چگالی جسم را محاسبه کنید.

توزین هیدرواستاتیک همچنین به شما امکان می دهد چگالی یک مایع ناشناخته را تعیین کنید. برای اینلازم است وزن دلخواه متصل به قلاب در یک مایع ناشناخته، و سپس در مایعی که چگالی آن دقیقاً تعیین شده است، وزن شود. داده های اندازه گیری شده برای تعیین چگالی مایع ناشناخته کافی است. بیایید فرمول مربوطه را بنویسیم:

ρ_l2=ρ_l1 m₂ / m ₁

در اینجا ρ_l1 چگالی یک مایع شناخته شده است، m₁ توده بدن اندازه گیری شده در آن است، m. 2 _{- توده بدن در یک مایع ناشناخته، که چگالی آن (ρ}l2_{) باید تعیین شود.}