Bagaimana Menghitung Kepadatan Komposit

Kandungan

• Ketumpatan ditentukan
• Prinsip Archimedes
• Massa, Volume dan Ketumpatan: Penukaran dan Data Kepentingan
• Uneven vs. Uniform Mass Distribution
• Ketumpatan Bahan Komposit
• Modulus elastik

Massa dan kepadatan - bersama dengan isipadu, konsep yang menghubungkan dua kuantiti ini, secara fizikal dan matematik - merupakan dua konsep yang paling mendasar dalam sains fizikal.Walaupun begitu, dan walaupun massa, ketumpatan, kelantangan dan berat badan masing-masing terlibat dalam berjuta-juta pengiraan di seluruh dunia setiap hari, ramai orang mudah dikelirukan oleh kuantiti ini.

Ketumpatan, yang dalam kedua-dua istilah fizikal dan sehari-hari hanya merujuk kepada kepekatan sesuatu dalam ruang yang ditetapkan, biasanya bermaksud "kepadatan massa," dan dengan itu ia merujuk kepada jumlah isipadu bahan seunit. Banyak kesalahpahaman yang berlimpah tentang hubungan antara ketumpatan dan berat badan. Ini dapat difahami dan mudah dibersihkan untuk sebahagian besar dengan semakan seperti ini.

Di samping itu, konsep ketumpatan komposit ia penting. Banyak bahan secara semulajadi terdiri daripada, atau dihasilkan dari, campuran atau elemen atau molekul struktur, masing-masing dengan kepadatan mereka sendiri. Sekiranya anda mengetahui nisbah bahan-bahan individu antara satu sama lain dalam item kepentingan, dan boleh melihat atau mengira kepadatan masing-masing, maka anda dapat menentukan ketumpatan komposit bahan secara keseluruhan.

Ketumpatan ditentukan

Kepadatan diberikan huruf Yunani rho (ρ) dan hanya jisim sesuatu yang dibahagikan dengan jumlah totalnya:

ρ = m / V

Unit SI (standard antarabangsa) adalah kg / m³, kerana kilogram dan meter adalah unit SI asas bagi jisim dan anjakan ("jarak") masing-masing. Walau bagaimanapun, dalam banyak situasi kehidupan sebenar, gram per mililiter, atau g / mL, adalah unit yang lebih mudah. Satu mL = 1 sentimeter padu (cc).

Bentuk objek dengan volum dan jisim yang diberikan tidak memberi kesan kepada ketumpatannya, walaupun ini dapat menjejaskan objek sifat mekanik. Begitu juga, dua objek dari bentuk yang sama (dan oleh itu isipadu) dan jisim selalu mempunyai ketumpatan yang sama tanpa mengira bagaimana jisim tersebut diedarkan.

Sfera jisim pepejal M dan jejari R dengan penyebaran jisimnya secara merata di seluruh bidang dan sfera jisim pepejal M dan jejari R dengan jisimnya tertumpu hampir keseluruhannya dalam "shell" luar yang tipis mempunyai ketumpatan yang sama.

Ketumpatan air (H₂O) pada suhu bilik dan tekanan atmosfera ditakrifkan sebagai tepat 1 g / mL (atau setara, 1 kg / L).

Prinsip Archimedes

Pada zaman Yunani kuno, Archimedes agak bijak membuktikan bahawa apabila objek terendam di dalam air (atau sebarang bendalir), kekuatan yang dialami adalah sama dengan massa gravitasi kali yang melepaskan air (iaitu berat air). Ini membawa kepada ungkapan matematik

m_obj - m_aplikasi = ρ_flV_obj

Dalam kata-kata, ini bermakna bahawa perbezaan antara objek yang diukur jisim dan jisim yang jelas apabila tenggelam, dibahagikan dengan ketumpatan cecair, memberikan isipadu objek yang tenggelam. Jumlah ini mudah dilihat apabila objek itu merupakan objek yang kerap berbentuk seperti sfera, tetapi persamaan itu berguna untuk menghitung jumlah objek berbentuk aneh.

Massa, Volume dan Ketumpatan: Penukaran dan Data Kepentingan

A L ialah 1000 cc = 1,000 mL. Percepatan kerana graviti berhampiran permukaan Bumi adalah g = 9.80 m / s².

Kerana 1 L = 1,000 cc = (10 cm × 10 cm × 10 cm) = (0.1 m × 0.1 m × 0.1 m) = 10^-3 m³, terdapat 1,000 liter dalam satu meter padu. Ini bermakna bahawa bekas berbentuk kiub berbentuk 1 m pada setiap sisi boleh memegang 1,000 kg = 2,204 paun air, melebihi satu tan. Ingat, satu meter hanya kira-kira tiga dan seperempat kaki; air mungkin "tebal" daripada yang anda fikirkan!

Uneven vs. Uniform Mass Distribution

Kebanyakan objek di dunia semulajadi mempunyai massa yang tidak sama rata di mana-mana ruang yang mereka hadapi. Tubuh anda sendiri adalah satu contoh; Anda boleh menentukan jisim anda dengan mudah menggunakan skala harian, dan jika anda mempunyai peralatan yang tepat, anda boleh menentukan jumlah bodi anda dengan menyemai diri anda dalam tab mandi dan menggunakan prinsip Archimedes.

Tetapi anda tahu bahawa beberapa bahagian lebih padat daripada yang lain (contohnya tulang dan lemak), jadi ada variasi tempatan dalam kepadatan.

Sesetengah objek mungkin mempunyai komposisi seragam, dan oleh itu ketumpatan seragam, walaupun dibuat dua atau lebih unsur atau sebatian. Ini boleh berlaku secara semulajadi dalam bentuk polimer tertentu, tetapi mungkin akan menjadi akibat daripada proses pembuatan strategik, contohnya, bingkai basikal serat karbon.

Ini bermakna, tidak seperti kes tubuh manusia, anda akan mendapat sampel bahan ketumpatan yang sama di mana di mana objek yang anda diekstrak dari atau berapa kecilnya. Dalam istilah resipi, ia "dicampur dengan sempurna."

Ketumpatan Bahan Komposit

Ketumpatan jisim ringkas bahan Komposit, atau bahan yang dibuat dari dua atau lebih bahan yang berbeza dengan kepadatan individu yang diketahui, boleh digunakan menggunakan proses yang mudah.

Misalnya, anda diberi 100 mL cecair iaitu 40 peratus air, 30 peratus merkuri dan 30 peratus petrol. Apakah ketumpatan campuran?

Anda tahu bahawa untuk air, ρ = 1.0 g / mL. Merujuk jadual, anda mendapati bahawa ρ = 13.5 g / mL untuk merkuri dan ρ = 0.66 g / mL untuk petrol. (Ini akan membuat ramuan yang sangat toksik, untuk rekod.) Mengikuti prosedur di atas:

(0.40) (1.0) + (0.30) (13.5) + (0.30) (0.66) = 4.65 g / mL.

Ketumpatan tinggi sumbangan mercurys meningkatkan ketumpatan keseluruhan campuran di atas air atau petrol.

Modulus elastik

Dalam sesetengah keadaan, berbeza dengan keadaan terdahulu di mana hanya kepadatan sebenar dicari, peraturan campuran untuk komposit partikel bermakna sesuatu yang berbeza. Ia adalah kebimbangan kejuruteraan yang mengaitkan rintangan keseluruhan kepada stres struktur linier seperti rasuk ke rintangan individunya serat dan matriks konstituen, kerana objek tersebut sering direkayasa secara strategik untuk mematuhi keperluan beban galas tertentu.

Ini sering dinyatakan dari segi parameter yang dikenali sebagai modulus elastik E (juga dipanggil Modulus Youngs, atau modulus keanjalan). Pengiraan modulus anjal bagi bahan komposit adalah agak mudah dari segi algebra. Pertama, tengok nilai-nilai individu untuk E dalam jadual seperti yang ada dalam Sumber. Dengan jumlahnya V daripada setiap komponen dalam sampel yang dipilih diketahui, gunakan hubungan tersebut

E_C = E_F V_F + E_M V_M ,

Di mana E_C adalah modulus campuran dan subskrip F dan M rujuk komponen serat dan matriks masing-masing.