Гидростатик тэнцвэр: үүссэн түүх, бүрэлдэхүүн хэсэг, ашиглах арга

2024 Зохиолч: Aaron Duncan | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-01 20:14

Шингэн ба хатуу бодисын нягтыг тодорхойлохын тулд тэдгээрийн масс, эзэлхүүнийг мэдэх хэрэгтэй. Хэрэв массыг хэмжихэд асуудал гарахгүй бол биеийн эзэлхүүний яг тодорхой утгыг хэрэв энэ нь мэдэгдэж байгаа ердийн геометрийн хэлбэртэй, жишээлбэл, призм эсвэл пирамид хэлбэртэй байвал олж болно. Хэрэв бие нь дурын хэлбэртэй бол түүний эзэлхүүнийг стандарт геометрийн аргаар нарийн тодорхойлох боломжгүй юм. Гэсэн хэдий ч шингэн эсвэл хатуу бодисын нягтын утгыг гидростатик баланс ашиглан өндөр нарийвчлалтайгаар хэмжиж болно.

Түүхэн мэдээлэл

Хүн төрөлхтөн эрт дээр үеэс биеийн эзэлхүүн, нягтыг хэмжих асуудлыг сонирхож ирсэн. Амьд үлдсэн түүхийн нотлох баримтаас үзвэл, Архимед алтан титэм хуурамч эсэхийг тогтоох даалгаварыг биелүүлж байхдаа энэ асуудлыг анх амжилттай шийдвэрлэжээ.

АрхимедМЭӨ III зуунд амьдарч байжээ. Үүнийг нээсний дараа хүн төрөлхтөн Грекийн боловсруулсан физикийн зарчмыг ашигласан шинэ бүтээлийг бүтээхэд бараг 2000 жил зарцуулсан. Энэ бол гидростатик тэнцвэр юм. Галилео 1586 онд зохион бүтээсэн. Эдгээр балансууд нь янз бүрийн шингэн болон хатуу бодисын нягтыг нарийн хэмжих гол арга зам байсаар ирсэн. Галилеогийн гидростатик тэнцвэрийн зургийг доор харуулав.

Дараа нь тэдний төрөл зүйл гарч ирэв - Мор-Вестфал масштаб. Тэдгээрийн дотор хоёр ижил хөшүүргийн оронд зөвхөн нэгийг ашигласан бөгөөд хэмжсэн ачааллыг түдгэлзүүлж, тэнцвэрийг олж авахын тулд мэдэгдэж буй массын ачаа гулсдаг байв. Мор-Вестфалийн хэмжүүрийг доор харуулав.

Одоогоор шинжлэх ухааны лабораториудад гидростатик тэнцвэр ховор харагддаг. Тэдгээрийг пикнометр эсвэл электрон жин зэрэг илүү нарийвчлалтай, хэрэглэхэд хялбар хэрэгслээр сольсон.

Галилейгийн жингийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд

Энэ төхөөрөмж нь төв хэвтээ тэнхлэгийг тойрон чөлөөтэй эргэдэг ижил урттай хоёр гартай. Аяга нь хөшүүрэг бүрийн төгсгөлд өлгөөтэй байна. Энэ нь мэдэгдэж буй масстай жинг барих зориулалттай. Аяганы ёроолд дэгээ байдаг. Та үүнээс өөр ачаа өлгөх боломжтой.

Гидростатик тэнцвэрт жингээс гадна хоёр металл цилиндр багтана. Тэдгээр нь ижил эзэлхүүнтэй, зөвхөн нэг нь бүхэлдээ металлаар хийгдсэн, хоёр дахь нь хөндий юм. Мөн шилэн цилиндрийг багтаасан болно.хэмжилт хийх явцад шингэнээр дүүрдэг.

Энэ хэрэглүүрийг Архимедийн хуулийг харуулах, шингэн болон хатуу бодисын нягтыг тодорхойлоход ашигладаг.

Архимедийн хуулийн үзүүлбэр

Архимед шингэнд дүрсэн бие түүнийг нүүлгэн шилжүүлдэг ба нүүлгэн шилжүүлсэн шингэний жин нь биед дээш чиглэсэн хөвөх хүчтэй яг тэнцүү байдгийг тогтоосон. Бид гидростатик тэнцвэрийг ашиглан энэ хуулийг хэрхэн баталгаажуулахыг харуулах болно.

Төхөөрөмжийн зүүн талын аяганд эхлээд хөндий төмөр цилиндр, дараа нь бүтэн цилиндрийг өлгөх болно. Төхөөрөмжийг тэнцвэржүүлэхийн тулд жингийн баруун талд жин тавьдаг. Одоо шилэн цилиндрийг усаар дүүргээд зүүн аяганы бүх металл жинг бүхэлд нь живүүлэхийн тулд дотор нь хийцгээе. Зөв аяганы жин ихсэж, төхөөрөмжийн тэнцвэр алдагдах нь ажиглагдаж байна.

Дараа нь бид хөндий дээд цилиндрт ус татна. Жинлүүр хэрхэн тэнцвэрээ сэргээж байгааг харцгаая. Металл цилиндрийн эзэлхүүн тэнцүү тул бүтэн цилиндрээр нүүлгэсэн усны жин нь түүнийг шингэнээс түлхэж буй хүчтэй тэнцүү байх болно.

Доорх зураг нь тайлбарласан туршлагыг харуулж байна.

Хатуу бодисын нягтын хэмжилт

Энэ бол гидростатик жинлүүрийн үндсэн ажлын нэг юм. Туршилтыг дараах алхмуудын хэлбэрээр явуулна:

• Биеийн жинг хэмждэг бөгөөд түүний нягтыг олох хэрэгтэй. Үүнийг хийхийн тулд нэг аяганы дэгээнээс түдгэлзүүлж, хоёр дахь аяганд тохирох массын жинг байрлуулна. Олдсон зүйлээ тэмдэглэезам ачааллын тэмдгийн жингийн утга m_1.
• Хэмжсэн биеийг нэрмэл усаар дүүргэсэн шилэн цилиндрт бүрэн дүрнэ. Энэ байрлалд биеийг дахин жинлэнэ. Хэмжсэн масс m_{2 байсан гэж бодъё.}
• Дараах томьёог ашиглан хатуу биетийн нягтын утгыг ρ_{s тооцоолно уу:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Энд ρ_l=1 г/см^{3 нь нэрмэл усны нягт.}

Тиймээс хатуу биетийн нягтыг тодорхойлохын тулд түүний агаар болон нягт нь мэдэгдэж байгаа шингэн дэх жинг хэмжих шаардлагатай.

Шингэний нягтыг тодорхойлох

Гидростатик тэнцвэрийн үйл ажиллагааны үндэс болсон Архимедийн зарчим нь тухайн төхөөрөмжийг ашиглан аливаа шингэний нягтыг хэмжих боломжийг олгодог. Үүнийг хэрхэн хийснийг тайлбарлая:

• Дурын ачаалал авдаг. Энэ нь металл цул цилиндр эсвэл дурын хэлбэрийн бусад биетэй байж болно. Дараа нь ачааг ρ_l1 нягттай шингэнд дүрж ачааны жинг m_{1 хэмжинэ.}
• Ижил ачаалал ρ_l2 үл мэдэгдэх нягттай шингэнд бүрэн дүрнэ. Энэ тохиолдолд түүний массын утгыг бичнэ үү (m_2).
• Хэмжсэн утгыг томъёонд орлуулж, шингэний нягтыг тодорхойлно ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Бнэрмэл усыг ихэвчлэн тодорхой нягтшилтай шингэн болгон ашигладаг (ρ_l1=1 г/см^3).

Тиймээс Галилеогийн гидростатик тэнцвэрийг ашиглан бодис, материалын нягтыг тодорхойлоход маш хялбар байдаг. Тэдний үр дүнгийн нарийвчлал 1% дотор байна.