Sıvıların ve katıların yoğunluğunu belirlemek için kütlelerini ve hacimlerini bilmeniz gerekir. Kütlenin ölçülmesinde herhangi bir sorun yoksa, örneğin bir prizma veya piramit şekli gibi bilinen bir düzenli geometrik şekle sahipse, vücudun hacminin tam değeri bulunabilir. Vücudun keyfi bir şekli varsa, hacmini standart geometrik yollarla doğru bir şekilde belirlemek imkansızdır. Bununla birlikte, bir sıvının veya katının yoğunluk değeri, hidrostatik bir terazi kullanılarak yüksek doğrulukla ölçülebilir.
Tarihsel arka plan
İnsanlık, eski çağlardan beri cisimlerin hacmini ve yoğunluğunu ölçme konusuyla ilgilendi. Hayatta kalan tarihsel kanıtlara göre, belirtilen sorun ilk olarak Arşimet tarafından altın tacın sahte olup olmadığını belirlemek için kendisine verilen görevle başa çıktığında başarıyla çözüldü.
ArşimetIII. yüzyılda yaşamıştır. Keşfedilmesinden sonra, Yunanlılar tarafından formüle edilen fiziksel prensibi kullanan bir buluş yaratmak, insanlığın yaklaşık 2000 yılını aldı. Bu hidrostatik bir dengedir. Galileo tarafından 1586'da icat edildi. Bu teraziler, çeşitli sıvıların ve katıların yoğunluğunu doğru bir şekilde ölçmenin ana yolu olmuştur. Galileo'nun hidrostatik dengesinin bir fotoğrafı aşağıda gösterilmiştir.
Sonra, çeşitleri ortaya çıktı - Mohr-Westphal ölçekleri. İçlerinde, iki özdeş kaldıraç yerine, üzerinde ölçülen yükün askıya alındığı ve denge elde etmek için bilinen bir kütlenin yüklerinin kaydığı yalnızca bir tane kullanıldı. Mohr-Westphal ölçekleri aşağıda gösterilmiştir.
Şu anda hidrostatik dengeler bilimsel laboratuvarlarda nadiren görülmektedir. Bunların yerini piknometre veya elektronik terazi gibi daha doğru ve kullanımı kolay araçlar aldı.
Galileo'nun terazisinin bileşenleri
Bu cihaz, merkezi bir yatay eksen etrafında serbestçe dönebilen aynı uzunlukta iki kola sahiptir. Her kolun ucuna bir bardak asılır. Bilinen kütle ağırlıklarını tutmak için tasarlanmıştır. Bardakların altında bir kanca var. Üzerine farklı yükler asabilirsiniz.
Ağırlıklara ek olarak, hidrostatik denge iki metal silindir içerir. Aynı hacme sahipler, sadece biri tamamen metalden yapılmış ve ikincisi içi boş. Ayrıca bir cam silindir dahildir.ölçümler sırasında sıvı ile doldurulur.
Söz konusu alet, Arşimet yasasını göstermek ve sıvıların ve katıların yoğunluğunu belirlemek için kullanılır.
Arşimet yasasının gösterilmesi
Arşimet, bir sıvıya batırılan bir cismin onu yerinden oynattığını ve yer değiştiren sıvının ağırlığının cisme yukarıya doğru etki eden kaldırma kuvvetine tam olarak eşit olduğunu belirledi. Hidrostatik bir terazi kullanarak bu yasanın nasıl doğrulanabileceğini göstereceğiz.
Cihazın sol kasesine önce içi boş bir metal silindir asacağız, ardından dolu bir tane. Cihazı dengelemek için tartıların sağ tarafına ağırlıklar koyuyoruz. Şimdi cam silindiri suyla dolduralım ve sol kasenin tüm metal ağırlığını tamamen su altında kalacak şekilde içine yerleştirelim. Sağdaki kasenin ağırlığının daha fazla olacağı ve cihazın dengesinin bozulacağı gözlemlenebilir.
Ardından içi boş üst silindire su çekiyoruz. Terazilerin dengesini nasıl yeniden sağladığını izleyelim. Metal silindirlerin hacimleri eşit olduğundan, dolu bir silindir tarafından yer değiştiren suyun ağırlığı, onu sıvıdan dışarı iten kuvvete eşit olacağı ortaya çıkıyor.
Aşağıdaki resim anlatılan deneyimi göstermektedir.
Katıların yoğunluk ölçümü
Bu, hidrostatik tartı terazilerinin ana görevlerinden biridir. Deney aşağıdaki adımlar şeklinde gerçekleştirilir:
- Yoğunluğu bulunması gereken vücudun ağırlığı ölçülür. Bunun için kaselerden birinin kancasına asılır ve ikinci kaseye uygun kütledeki ağırlıklar yerleştirilir. Ne bulduğumuzu belirtelimyol sembolünün ağırlık değeri m1.
- Ölçülen gövde tamamen saf su ile doldurulmuş bir cam silindire daldırılır. Bu pozisyonda vücut tekrar tartılır. Ölçülen kütlenin m2 olduğunu varsayalım.
- Bir katının yoğunluk değerini ρs aşağıdaki formülü kullanarak hesaplayın:
ρs=ρlm1/(m 1- m2)
Burada ρl=1 g/cm3 damıtılmış suyun yoğunluğudur.
Dolayısıyla, katı bir cismin yoğunluğunu belirlemek için havadaki ve yoğunluğu bilinen bir sıvıdaki ağırlığını ölçmek gerekir.
Sıvıların yoğunluğunu belirleme
Hidrostatik terazilerin çalışmasının temeli olan Arşimet prensibi, söz konusu cihazı kullanarak herhangi bir sıvının yoğunluğunu ölçmenizi sağlar. Nasıl yapıldığını anlatalım:
- Rastgele bir yük alınır. Metal bir katı silindir veya herhangi bir keyfi şekle sahip herhangi bir gövde olabilir. Daha sonra yük, yoğunluğu bilinen ρl1 olan bir sıvıya daldırılır ve yükün ağırlığı ölçülür m1.
- Aynı yük, yoğunluğu bilinmeyen ρl2 olan bir sıvıya tamamen daldırılmıştır. Bu durumda kütlesinin değerini yazın (m2).
- Ölçülen değerler formülde değiştirilir ve sıvının yoğunluğunu belirler ρl2:
ρl2=ρl1m2/m 1
Bdamıtılmış su genellikle bilinen bir yoğunluğa sahip bir sıvı olarak kullanılır (ρl1=1 g/cm3).
Böylece, Galileo'nun hidrostatik dengesini, maddelerin ve malzemelerin yoğunluğunu belirlemek için kullanmak oldukça kolaydır. Sonuçlarının doğruluğu %1 içinde.
