Հեղուկների և պինդ մարմինների խտությունը որոշելու համար անհրաժեշտ է իմանալ դրանց զանգվածը և ծավալը: Եթե զանգվածը չափելու հետ կապված խնդիրներ չկան, ապա մարմնի ծավալի ճշգրիտ արժեքը կարելի է գտնել, եթե այն ունի հայտնի կանոնավոր երկրաչափական ձև, օրինակ՝ պրիզմայի կամ բուրգի ձև: Եթե մարմինն ունի կամայական ձև, ապա անհնար է ճշգրիտ որոշել դրա ծավալը ստանդարտ երկրաչափական միջոցներով: Այնուամենայնիվ, հեղուկի կամ պինդի խտության արժեքը կարելի է չափել բարձր ճշգրտությամբ՝ օգտագործելով հիդրոստատիկ հավասարակշռությունը։
Պատմական նախապատմություն
Մարդկությունը հնագույն ժամանակներից հետաքրքրված է մարմինների ծավալի և խտության չափման հարցով։ Ըստ պահպանված պատմական ապացույցների՝ նշված խնդիրը առաջին անգամ հաջողությամբ լուծվել է Արքիմեդի կողմից, երբ նա կատարել է իրեն տրված հանձնարարությունը՝ պարզելու, թե արդյոք ոսկե թագը կեղծ է։։
Արքիմեդապրել է մ.թ.ա III դարում։ Նրա հայտնաբերումից հետո մարդկությունից պահանջվեց գրեթե 2000 տարի գյուտի ստեղծման համար, որն իր աշխատանքում օգտագործում է հույների կողմից ձևակերպված ֆիզիկական սկզբունքը։ Սա հիդրոստատիկ հավասարակշռություն է: Գալիլեոն հորինել է 1586 թ. Այս մնացորդները երկար ժամանակ եղել են տարբեր հեղուկների և պինդ մարմինների խտությունը ճշգրիտ չափելու հիմնական միջոցը։ Գալիլեոյի հիդրոստատիկ հավասարակշռության լուսանկարը ներկայացված է ստորև։
Հետագայում հայտնվեց դրանց բազմազանությունը՝ Մոհր-Վեստֆալ կշեռքները։ Դրանցում երկու միանման լծակների փոխարեն օգտագործվել է միայն մեկը, որի վրա կախված է եղել չափված բեռը, և որի երկայնքով սահել են հայտնի զանգվածի բեռներ՝ հավասարակշռություն ստանալու համար։ Մոհր-Վեստֆալի սանդղակները ներկայացված են ստորև։
Ներկայումս հիդրոստատիկ մնացորդները հազվադեպ են հանդիպում գիտական լաբորատորիաներում: Դրանք փոխարինվել են ավելի ճշգրիտ և հեշտ օգտագործման գործիքներով, ինչպիսիք են պիկնոմետրը կամ էլեկտրոնային կշեռքը:
Գալիլեոյի կշեռքի բաղադրիչները
Այս սարքն ունի նույն երկարության երկու թեւ, որոնք կարող են ազատորեն պտտվել կենտրոնական հորիզոնական առանցքի շուրջ: Յուրաքանչյուր լծակի վերջից կախված է մի բաժակ: Այն նախատեսված է հայտնի զանգվածի կշիռներ պահելու համար: Բաժակների ներքեւում կա կեռիկ: Դրանից կարող եք տարբեր բեռներ կախել։
Բացի կշիռներից, հիդրոստատիկ հավասարակշռությունը ներառում է երկու մետաղական բալոն: Նրանք ունեն նույն ծավալը, դրանցից միայն մեկն է ամբողջությամբ մետաղից պատրաստված, իսկ երկրորդը՝ խոռոչ։ Ներառված է նաև ապակե գլան։որը չափումների ժամանակ լցվում է հեղուկով։
Նշված գործիքը օգտագործվում է Արքիմեդի օրենքը ցուցադրելու և հեղուկների և պինդ մարմինների խտությունը որոշելու համար։
Արքիմեդի օրենքի ցուցադրում
Արքիմեդը հաստատեց, որ հեղուկի մեջ ընկղմված մարմինը տեղաշարժում է այն, և տեղաշարժված հեղուկի քաշը ճիշտ հավասար է մարմնի վրա դեպի վեր ազդող լողացող ուժին: Մենք ցույց կտանք, թե ինչպես կարելի է հիդրոստատիկ հաշվեկշռի միջոցով ստուգել այս օրենքը։
Սարքի ձախ ամանի մոտ նախ կկախենք մետաղյա սնամեջ գլան, ապա՝ լիքը։ Սարքը հավասարակշռելու համար կշեռքի աջ կողմում կշիռներ ենք դնում։ Այժմ եկեք լցնենք ապակե գլանը ջրով և տեղադրենք դրա մեջ ձախ ամանի ամբողջ մետաղական քաշը, որպեսզի այն ամբողջությամբ ընկղմվի ջրի մեջ: Կարելի է նկատել, որ աջ ամանի քաշն ավելի մեծ կլինի, և սարքի հավասարակշռությունը կխախտվի։
Այնուհետև ջուրը քաշում ենք սնամեջ վերին գլան: Տեսնենք, թե ինչպես է կշեռքը կրկին վերականգնում հավասարակշռությունը։ Քանի որ մետաղական բալոնների ծավալները հավասար են, ստացվում է, որ լիքը գլանով տեղափոխվող ջրի քաշը հավասար է այն ուժին, որը այն դուրս է մղում հեղուկից։
Ստորև նկարը ցույց է տալիս նկարագրված փորձը:
Պինդ մարմինների խտության չափում
Սա հիդրոստատիկ կշռման կշեռքի հիմնական խնդիրներից մեկն է։ Փորձն իրականացվում է հետևյալ քայլերի տեսքով՝
- Չափվում է մարմնի քաշը, որի խտությունը պետք է գտնել։ Դրա համար այն կախում են ամաններից մեկի կեռիկից, իսկ երկրորդ ամանի վրա տեղադրում են համապատասխան զանգվածի կշիռներ։ Նշանակենք մեր գտածըբեռի նշանի կշռի արժեքը m1.
- Չափված մարմինն ամբողջությամբ ընկղմված է թորած ջրով լցված ապակյա գլանում։ Այս դիրքում մարմինը նորից կշռում են։ Ենթադրենք, չափված զանգվածը m2 է։
- Հաշվե՛ք պինդ մարմնի խտության արժեքը ρs՝ օգտագործելով հետևյալ բանաձևը՝
րs=ρlմ1/(m 1- m2)
Այստեղ ρl=1 գ/սմ3 թորած ջրի խտությունն է:
Այսպիսով, պինդ մարմնի խտությունը որոշելու համար անհրաժեշտ է չափել նրա քաշը օդում և հեղուկում, որի խտությունը հայտնի է։
Հեղուկների խտության որոշում
Արքիմեդի սկզբունքը, որը հիմք է հանդիսանում հիդրոստատիկ մնացորդների աշխատանքի համար, թույլ է տալիս չափել ցանկացած հեղուկի խտությունը տվյալ սարքի միջոցով: Եկեք նկարագրենք, թե ինչպես է դա արվում:
- Վերցվում է կամայական բեռ: Այն կարող է լինել մետաղյա պինդ գլան կամ կամայական ձևի ցանկացած այլ մարմին: Այնուհետև բեռը ընկղմվում է հայտնի խտությամբ հեղուկի մեջ ρl1, և բեռի կշիռը չափվում է m1.:
- Նույն բեռը ամբողջությամբ ընկղմված է անհայտ խտությամբ հեղուկի մեջ ρl2: Գրե՛ք դրա զանգվածի արժեքը այս դեպքում (m2):
- Չափված արժեքները փոխարինվում են բանաձևով և որոշում են հեղուկի խտությունը ρl2:
ρl2=ρl1m2/m 1
Bթորած ջուրը հաճախ օգտագործվում է որպես հայտնի խտությամբ հեղուկ (ρl1=1 գ/սմ3):
Այսպիսով, Galileo-ի հիդրոստատիկ հավասարակշռությունը բավականին հեշտ է օգտագործել նյութերի և նյութերի խտությունը որոշելու համար: Դրանց արդյունքների ճշգրտությունը 1%-ի սահմաններում է։
