Contenu
- Qu'est-ce que la densité?
- Densité vs. Densité
- le principe d'Archimede
- Mesure de densité de solides
- Densité composite de solides
Quand tu vois ou entends le mot densité, si vous connaissez bien ce terme, il vous rappellera probablement des images de «monde encombré»: des rues encombrées, par exemple, ou l’épaisseur inhabituelle des arbres dans une partie d’un parc de votre voisinage.
Et en substance, c’est ce que la densité désigne: une concentration de quelque chose, l’accent n'étant pas mis sur la quantité totale de quoi que ce soit dans la scène, mais sur la quantité distribuée dans l'espace disponible.
La densité est un concept essentiel dans le monde des sciences physiques. Il offre un moyen de relier les bases matière - ce qui est courant dans la vie quotidienne et que l'on peut habituellement (mais pas toujours) voir et sentir ou du moins d'une manière ou d'une autre capté dans des mesures en laboratoire - dans l'espace fondamental, le cadre même que nous utilisons pour naviguer dans le monde. Différents types de matières sur Terre peuvent avoir des densités très différentes, même dans le domaine des matières solides.
La mesure de la densité des solides est effectuée à l'aide de méthodes différentes de celles employées pour doser les densités de liquides et de gaz. Le moyen le plus précis de mesurer la densité dépend souvent de la situation expérimentale et du fait que votre échantillon ne comporte qu'un seul type de matière (matériau) possédant des propriétés physiques et chimiques connues ou plusieurs types.
Qu'est-ce que la densité?
En physique, la densité d'un échantillon de matériau est juste la masse totale de l'échantillon divisée par son volume, quelle que soit la manière dont la matière de l’échantillon est distribuée (préoccupation qui affecte les propriétés mécaniques du solide en question).
Le corps humain est un exemple de chose qui a une densité prévisible dans une plage donnée, mais aussi des niveaux de densité très variables, qui est constitué d'un rapport plus ou moins fixe d'eau, d'os et d'autres types de tissus.
La densité et la masse sont souvent confondues avec poids, bien que pour des raisons peut-être différentes. Le poids est simplement la force résultant de l'accélération de la gravité agissant sur la matière ou la masse: F = mg. Sur Terre, l’accélération due à la pesanteur vaut 9,8 m / s2. UNE Masse de 10 kg a donc un poids de (10 kg) (9,8 m / s2) = 98 Newtons (N).
Le poids lui-même est également confondu avec la densité, pour la simple raison que, pour deux objets de même taille, celui dont la densité est supérieure pèsera davantage. C’est la base de la vieille question piège: "Qui pèse le plus, une livre de plumes ou une livre de plomb?" Une livre est une livre, quoi qu'il en soit, mais la clé ici est que la livre de plumes prendra beaucoup plus de place que la livre de plomb en raison de la densité beaucoup plus grande.
Densité vs. Densité
Un terme de physique étroitement lié à la densité est densité (SG). Ceci est juste la densité d'un matériau donné divisée par la densité de l'eau. La densité de l'eau est définie comme étant exactement 1 g / ml (ou équivalent, 1 kg / l) à température ambiante normale, 25 ° C. En effet, la définition même d'un litre en unités SI (système international ou "métrique") correspond à la quantité d'eau ayant une masse de 1 kg.
En apparence, cela semblerait donc faire de SG un élément d’information plutôt trivial: pourquoi diviser par 1? En fait, il y a deux raisons. La première est que la densité de l'eau et des autres matériaux varie légèrement avec la température, même dans les plages de température ambiante. Par conséquent, lorsque des mesures précises sont nécessaires, cette variation doit être prise en compte, car la valeur de ρ dépend de la température.
De même, alors que la densité a des unités de g / mL ou similaires, SG n’a pas d’unité, car c’est juste une densité divisée par une densité. Le fait que cette quantité ne soit qu'une constante facilite certains calculs impliquant la densité.
le principe d'Archimede
La plus grande application pratique de la densité des matériaux solides réside peut-être dans Le principe d'Archimede, découvert il y a des millénaires par un érudit grec du même nom. Ce principe affirme que, lorsqu'un objet solide est placé dans un fluide, il est soumis à un filet ascendant. force de flottabilité égale à la poids du fluide déplacé.
Cette force est la même quel que soit son effet sur l’objet, qui peut être de le pousser vers la surface (si la densité de l’objet est inférieure à celle du fluide), de lui permettre de flotter parfaitement en place (si la densité de l'objet est exactement égal à celui du fluide) ou lui permet de couler (si la densité de l'objet est supérieure à celle du fluide).
Symboliquement, ce principe est exprimé comme FB = WF, où FB est la force de flottabilité et WF est le poids du fluide déplacé.
Mesure de densité de solides
Parmi les différentes méthodes utilisées pour déterminer la densité d'un matériau solide, pesée hydrostatique est le préféré car c’est le plus précis, sinon le plus pratique. La plupart des matériaux solides d’intérêt ne se présentent pas sous forme de formes géométriques bien définies avec des volumes faciles à calculer, ce qui nécessite une détermination indirecte du volume.
C’est l’un des nombreux domaines dans lesquels le principe d’Archimède est utile. Un sujet est pesé à la fois dans l'air et dans un fluide de densité connue (l'eau est évidemment un choix utile). Si un objet avec une masse "terrestre" de 60 kg (W = 588 N) déplace 50 L d'eau lorsqu'il est immergé pour la pesée, sa densité doit être de 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.
Si, dans cet exemple, vous souhaitiez maintenir en suspension cet objet plus dense que l'eau en appliquant une force ascendante en plus de la force de flottabilité, quelle serait l'ampleur de cette force? Vous calculez simplement la différence entre le poids de l'eau déplacée et le poids de l'objet: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s2) = 98 N.
Densité composite de solides
Parfois, un objet contenant plusieurs types de matériaux vous est présenté, mais contrairement à l'exemple du corps humain, contient ces matériaux de manière uniformément répartie. Autrement dit, si vous preniez un échantillon minuscule du matériau, il aurait le même rapport matériau A / matériau B que l’objet entier.
Cela se produit notamment en génie des structures, où les poutres et autres éléments de support sont souvent constitués de deux types de matériaux: la matrice (M) et la fibre (F). Si vous avez un échantillon de ce faisceau composé d’un rapport volumique connu de ces deux éléments et que vous connaissez leurs densités individuelles, vous pouvez calculer la densité du composite (ρC) en utilisant l'équation suivante:
ρC = ρFVF + ρMVM,
Où ρF et ρM et VF et Vm sont les densités et les fractions volumiques (c'est-à-dire le pourcentage du faisceau constitué de fibres ou de matrice, converti en nombre décimal) de chaque type de matériau.
Exemple: Un échantillon de 1 000 ml d'un objet mystère contient 70% de matériau rocheux avec une densité de 5 g / ml et 30% de matériau semblable à un gel avec une densité de 2 g / ml. Quelle est la densité de l'objet (composite)?
ρC = ρRVR + ρgVg = (5 g / mL) (0,70) + (2 g / mL) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.