ในการหาความหนาแน่นของของเหลวและของแข็ง คุณต้องรู้มวลและปริมาตรของพวกมัน หากไม่มีปัญหาในการวัดมวล สามารถหาค่าที่แน่นอนของปริมาตรของร่างกายได้หากมีรูปทรงเรขาคณิตปกติที่ทราบ เช่น รูปร่างของปริซึมหรือปิรามิด หากร่างกายมีรูปร่างตามอำเภอใจ จะไม่สามารถกำหนดปริมาตรได้อย่างแม่นยำด้วยวิธีการทางเรขาคณิตมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม สามารถวัดค่าความหนาแน่นของของเหลวหรือของแข็งได้อย่างแม่นยำสูงโดยใช้เครื่องชั่งแบบไฮโดรสแตติก
ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์
มนุษยชาติให้ความสนใจเรื่องการวัดปริมาตรและความหนาแน่นของร่างกายมาตั้งแต่สมัยโบราณ จากหลักฐานทางประวัติศาสตร์ที่ยังคงมีอยู่ ปัญหาดังกล่าวได้รับการแก้ไขครั้งแรกโดยอาร์คิมิดีส เมื่อเขาจัดการกับงานที่ได้รับมอบหมายให้ตัดสินว่ามงกุฏทองคำเป็นของปลอมหรือไม่
อาร์คิมิดีสอาศัยอยู่ในศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสต์ศักราช หลังจากการค้นพบนี้ มนุษยชาติต้องใช้เวลาเกือบ 2,000 ปีในการสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่ใช้หลักการทางกายภาพที่ชาวกรีกกำหนดขึ้นในการทำงาน นี่คือสมดุลอุทกสถิต คิดค้นโดยกาลิเลโอในปี 1586 เครื่องชั่งเหล่านี้เป็นวิธีการหลักในการวัดความหนาแน่นของของเหลวและของแข็งต่างๆ อย่างแม่นยำมาช้านานแล้ว ภาพของเครื่องชั่งไฮโดรสแตติกของกาลิเลโอแสดงอยู่ด้านล่าง
ต่อมา ความหลากหลายของพวกมันก็ปรากฏขึ้น - เกล็ด Mohr-Westphal ในนั้น แทนที่จะใช้คันโยกที่เหมือนกันสองคัน มีเพียงคันเดียวที่ใช้ซึ่งโหลดที่วัดได้ถูกระงับ และโหลดของน้ำหนักที่ทราบแล้วเลื่อนเพื่อรับความสมดุล สเกล Mohr-Westphal แสดงอยู่ด้านล่าง
ปัจจุบัน เครื่องชั่งไฮโดรสแตติกไม่ค่อยพบเห็นในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ พวกเขาถูกแทนที่ด้วยเครื่องมือที่แม่นยำและใช้งานง่ายขึ้น เช่น พิคโนมิเตอร์หรือตาชั่งอิเล็กทรอนิกส์
ส่วนประกอบของตาชั่งกาลิเลโอ
อุปกรณ์นี้มีแขนสองข้างที่มีความยาวเท่ากันซึ่งสามารถหมุนรอบแกนนอนตรงกลางได้อย่างอิสระ ถ้วยถูกระงับจากปลายคันโยกแต่ละอัน ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับน้ำหนักของมวลที่รู้จัก มีตะขอที่ด้านล่างของถ้วย คุณสามารถแขวนสิ่งของต่าง ๆ ได้
นอกจากตุ้มน้ำหนักแล้ว เครื่องชั่งไฮโดรสแตติกยังมีกระบอกสูบโลหะสองกระบอกอีกด้วย พวกมันมีปริมาตรเท่ากัน มีเพียงอันเดียวเท่านั้นที่ทำด้วยโลหะทั้งหมด และอันที่สองนั้นกลวง รวมทั้งเป็นกระบอกแก้วซึ่งเติมของเหลวระหว่างการวัด
เครื่องมือดังกล่าวใช้เพื่อสาธิตกฎของอาร์คิมิดีสและเพื่อกำหนดความหนาแน่นของของเหลวและของแข็ง
การสาธิตกฎของอาร์คิมิดีส
อาร์คิมิดีสกำหนดว่าร่างกายที่แช่อยู่ในของเหลวจะแทนที่มัน และน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่นั้นเท่ากับแรงลอยตัวที่พุ่งขึ้นบนร่างกายพอดี เราจะแสดงวิธีตรวจสอบกฎหมายนี้โดยใช้เครื่องชั่งไฮโดรสแตติก
ที่โถด้านซ้ายของอุปกรณ์ เราจะแขวนกระบอกโลหะกลวงก่อน แล้วจึงใส่เต็มอัน เราวางตุ้มน้ำหนักไว้ทางด้านขวาของตาชั่งเพื่อปรับสมดุลอุปกรณ์ ตอนนี้ให้เติมน้ำในกระบอกสูบแก้วแล้วใส่น้ำหนักโลหะทั้งหมดของชามด้านซ้ายลงไปเพื่อให้จมอยู่ใต้น้ำอย่างสมบูรณ์ สังเกตได้ว่าน้ำหนักของโถด้านขวาจะมากขึ้น และความสมดุลของอุปกรณ์จะถูกรบกวน
จากนั้นเราก็ดึงน้ำเข้าไปในกระบอกสูบด้านบนที่เป็นโพรง มาดูกันว่าตาชั่งจะคืนความสมดุลได้อย่างไร เนื่องจากปริมาตรของกระบอกสูบโลหะเท่ากัน ปรากฎว่าน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่ด้วยกระบอกสูบเต็มจะเท่ากับแรงที่ผลักออกจากของเหลว
รูปภาพด้านล่างแสดงประสบการณ์ที่อธิบายไว้
การวัดความหนาแน่นของของแข็ง
นี่เป็นหนึ่งในงานหลักของเครื่องชั่งน้ำหนักแบบไฮโดรสแตติก การทดลองดำเนินการในรูปแบบของขั้นตอนต่อไปนี้:
- วัดน้ำหนักตัวซึ่งควรหาความหนาแน่น ในการทำเช่นนี้มันถูกระงับจากตะขอของชามใบหนึ่งและวางน้ำหนักของมวลที่เหมาะสมลงในชามที่สอง แสดงว่าเราพบอะไรวิธี ค่า น้ำหนัก ของ สัญลักษณ์ โหลด m1.
- ร่างกายที่วัดได้จุ่มลงในกระบอกแก้วที่เติมน้ำกลั่นจนสุด ในตำแหน่งนี้ร่างกายจะถูกชั่งน้ำหนักอีกครั้ง สมมติว่ามวลที่วัดได้คือ m2.
- คำนวณค่าความหนาแน่น ρs ของของแข็งโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
ρs=ρlm1/(m 1- m2)
ที่นี่ ρl=1 g/cm3 คือความหนาแน่นของน้ำกลั่น
ดังนั้น ในการกำหนดความหนาแน่นของวัตถุที่เป็นของแข็ง จำเป็นต้องวัดน้ำหนักในอากาศและในของเหลวที่ทราบความหนาแน่น
การหาความหนาแน่นของของเหลว
หลักการของอาร์คิมิดีส ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการทำงานของเครื่องชั่งแบบไฮโดรสแตติก ช่วยให้คุณสามารถวัดความหนาแน่นของของเหลวใดๆ โดยใช้อุปกรณ์ดังกล่าว อธิบายวิธีการทำ:
- โหลดตามอำเภอใจ อาจเป็นกระบอกสูบที่เป็นโลหะหรือรูปทรงอื่นๆ ก็ได้ จากนั้น นำโหลดไปแช่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นที่ทราบ ρl1 และน้ำหนักของสินค้าจะถูกวัด m1.
- น้ำหนักเดียวกันถูกแช่ในของเหลวจนหมดโดยไม่ทราบความหนาแน่น ρl2 เขียนค่ามวลของมันในกรณีนี้ (m2).
- ค่าที่วัดได้จะถูกแทนที่ลงในสูตรและกำหนดความหนาแน่นของของเหลว ρl2:
ρl2=ρl1m2/m 1
Bน้ำกลั่นมักใช้เป็นของเหลวที่มีความหนาแน่นที่ทราบ (ρl1=1 g/cm3)
ดังนั้น เครื่องชั่งไฮโดรสแตติกของกาลิเลโอจึงใช้ตรวจวัดความหนาแน่นของสารและวัสดุได้ง่ายทีเดียว ความถูกต้องของผลลัพธ์อยู่ภายใน 1%
