Hydrostatiske balanser: skapelseshistorie, komponenter, bruksmetoder

2024 Forfatter: Aaron Duncan | [email protected]. Sist endret: 2024-01-01 20:15

For å bestemme tettheten til væsker og faste stoffer, må du kjenne deres masse og volum. Hvis det ikke er problemer med å måle massen, kan den nøyaktige verdien av volumet av kroppen bli funnet hvis den har en kjent vanlig geometrisk form, for eksempel formen til et prisme eller en pyramide. Hvis kroppen har en vilkårlig form, er det umulig å nøyaktig bestemme volumet med standard geometriske midler. Imidlertid kan tetthetsverdien til en væske eller et fast stoff måles med høy nøyaktighet ved hjelp av en hydrostatisk balanse.

Historisk bakgrunn

Mennesket har vært interessert i spørsmålet om å måle volum og tetthet av kropper siden antikken. I følge overlevende historiske bevis ble det bemerkede problemet først løst av Arkimedes da han taklet oppdraget som ble gitt til ham for å finne ut om den gyldne kronen var falsk.

Archimedeslevde i det tredje århundre f. Kr. Etter oppdagelsen tok det nesten 2000 år for menneskeheten å lage en oppfinnelse som bruker det fysiske prinsippet formulert av grekeren i sitt arbeid. Dette er en hydrostatisk balanse. Oppfunnet av Galileo i 1586. Disse balansene har lenge vært den viktigste måten å nøyaktig måle tettheten til ulike væsker og faste stoffer. Et bilde av Galileos hydrostatiske balanse er vist nedenfor.

Deretter dukket deres variant opp - Mohr-Westphal-skjell. I dem, i stedet for to identiske spaker, ble det bare brukt en, som den målte lasten ble opphengt på, og langs hvilken laster med kjent masse gled for å oppnå balanse. Mohr-Westphal-skalaer er vist nedenfor.

I dag er hydrostatiske balanser sjelden sett i vitenskapelige laboratorier. De er erstattet av mer nøyaktige og brukervennlige instrumenter som pyknometer eller elektroniske vekter.

Komponenter av Galileos skalaer

Dette apparatet har to armer av samme lengde som fritt kan rotere rundt en sentral horisontal akse. En kopp er hengt opp fra enden av hver spak. Den er designet for å holde vekter med kjent masse. Det er en krok i bunnen av koppene. Du kan henge forskjellige lass fra den.

I tillegg til vektene inkluderer den hydrostatiske balansen to metallsylindere. De har samme volum, bare en av dem er helt laget av metall, og den andre er hul. Det følger også med en glassylinder.som fylles med væske under målinger.

Det aktuelle instrumentet brukes til å demonstrere Arkimedes lov og bestemme tettheten til væsker og faste stoffer.

Demonstrasjon av Arkimedes lov

Archimedes konstaterte at et legeme nedsenket i en væske fortrenger det, og vekten av den fortrengte væsken er nøyaktig lik flytekraften som virker oppover på kroppen. Vi vil vise hvordan denne loven kan verifiseres ved å bruke en hydrostatisk balanse.

Til venstre bolle på enheten skal vi først henge en hul metallsylinder, og deretter en hel. Vi legger vekter på høyre side av vekten for å balansere enheten. La oss nå fylle glasssylinderen med vann og legge hele metallvekten til den venstre bollen i den slik at den er helt nedsenket. Det kan observeres at vekten til høyre bolle vil være større, og balansen til enheten vil bli forstyrret.

Så trekker vi vann inn i den hule øvre sylinderen. La oss se hvordan vekten igjen gjenoppretter balansen. Siden volumene til metallsylindere er like, viser det seg at vekten av vann som fortrenges av en full sylinder vil være lik kraften som presser den ut av væsken.

Bildet nedenfor illustrerer opplevelsen som er beskrevet.

Tetthetsmåling av faste stoffer

Dette er en av hovedoppgavene til hydrostatiske vekter. Eksperimentet utføres i form av følgende trinn:

• Kroppens vekt måles, og dens tetthet skal finnes. For å gjøre dette henges den fra kroken til en av bollene, og vekter av passende masse plasseres på den andre bollen. La oss betegne hva vi fantmåte verdien av vekten til lastsymbolet m_1.
• Den målte kroppen er fullstendig nedsenket i en glassylinder fylt med destillert vann. I denne posisjonen veies kroppen igjen. Anta at den målte massen var m_2.
• Beregn tetthetsverdien ρ_{s for et fast stoff ved å bruke følgende formel:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Here ρ_l=1 g/cm^{3 er tettheten til destillert vann.}

For å bestemme tettheten til et fast legeme, er det derfor nødvendig å måle vekten i luft og i en væske hvis tetthet er kjent.

Bestemme tettheten til væsker

Prinsippet til Archimedes, som er grunnlaget for driften av hydrostatiske balanser, lar deg måle tettheten til enhver væske ved å bruke den aktuelle enheten. La oss beskrive hvordan det gjøres:

• En vilkårlig belastning er tatt. Det kan være en solid metallsylinder eller en hvilken som helst annen kropp med vilkårlig form. Deretter senkes lasten i en væske med kjent tetthet ρ_l1 og vekten av lasten måles m_1.
• Den samme lasten er fullstendig nedsenket i en væske med en ukjent tetthet ρ_l2. Skriv ned verdien av massen i dette tilfellet (m_2).
• De målte verdiene settes inn i formelen og bestemmer tettheten til væsken ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bdestillert vann brukes ofte som væske med kjent tetthet (ρ_l1=1 g/cm^3).

Dermed er Galileos hydrostatiske balanse ganske enkel å bruke for å bestemme tettheten til stoffer og materialer. Nøyaktigheten til resultatene deres er innenfor 1%.