Balante hidrostatice: istoricul creației, componente, metode de utilizare

2024 Autor: Aaron Duncan | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-01 20:16

Pentru a determina densitatea lichidelor și solidelor, trebuie să cunoașteți masa și volumul acestora. Dacă nu există probleme cu măsurarea masei, atunci valoarea exactă a volumului corpului poate fi găsită dacă are o formă geometrică regulată cunoscută, de exemplu, forma unei prisme sau a unei piramide. Dacă corpul are o formă arbitrară, este imposibil să-i determinăm cu precizie volumul prin mijloace geometrice standard. Cu toate acestea, valoarea densității unui lichid sau solid poate fi măsurată cu mare precizie folosind o balanță hidrostatică.

Context istoric

Omenirea a fost interesată de problema măsurării volumului și densității corpurilor încă din cele mai vechi timpuri. Conform dovezilor istorice care au supraviețuit, problema menționată a fost rezolvată cu succes pentru prima dată de Arhimede când a făcut față sarcinii care i-a fost dată de a determina dacă coroana de aur era falsă.

Arhimedea trăit în secolul al III-lea î. Hr. După descoperirea sa, omenirii i-au trebuit aproape 2000 de ani pentru a crea o invenție care folosește principiul fizic formulat de grec în opera sa. Acesta este un echilibru hidrostatic. Inventat de Galileo în 1586. Aceste balanțe au fost mult timp principala modalitate de a măsura cu precizie densitatea diferitelor lichide și solide. O fotografie a echilibrului hidrostatic al lui Galileo este afișată mai jos.

Ulterior, a apărut varietatea lor - solzi Mohr-Westphal. În ele, în loc de două pârghii identice, se folosea doar una, pe care era suspendată sarcina măsurată și de-a lungul căreia aluneca încărcături de o masă cunoscută pentru a obține echilibrul. Scale Mohr-Westphal sunt prezentate mai jos.

În prezent, echilibrele hidrostatice sunt rareori văzute în laboratoarele științifice. Au fost înlocuite cu instrumente mai precise și mai ușor de utilizat, cum ar fi picnometrul sau cântare electronice.

Componentele cântarelor lui Galileo

Acest aparat are două brațe de aceeași lungime care se pot roti liber în jurul unei axe orizontale centrale. O ceașcă este suspendată de la capătul fiecărei pârghii. Este conceput pentru a susține greutăți de masă cunoscută. Există un cârlig în partea de jos a cupelor. Puteți agăța diferite încărcături de el.

Pe lângă greutăți, balanța hidrostatică include doi cilindri metalici. Au același volum, doar unul dintre ele este realizat în întregime din metal, iar al doilea este gol. De asemenea, este inclus un cilindru de sticlă.care este umplut cu lichid în timpul măsurătorilor.

Instrumentul în cauză este folosit pentru a demonstra legea lui Arhimede și pentru a determina densitatea lichidelor și a solidelor.

Demonstrarea legii lui Arhimede

Arhimede a stabilit că un corp scufundat într-un lichid îl deplasează, iar greutatea lichidului deplasat este exact egală cu forța de plutire care acționează în sus asupra corpului. Vom arăta cum, folosind o balanță hidrostatică, această lege poate fi verificată.

De bolul din stânga al dispozitivului vom atârna mai întâi un cilindru metalic gol, apoi unul plin. Punem greutăți în partea dreaptă a cântarului pentru a echilibra dispozitivul. Acum să umplem cilindrul de sticlă cu apă și să punem toată greutatea metalică a vasului din stânga în el, astfel încât să fie complet scufundat. Se poate observa că greutatea bolului din dreapta va fi mai mare, iar echilibrul aparatului va fi perturbat.

Apoi tragem apă în cilindrul superior gol. Să vedem cum cântarul își restabilește din nou echilibrul. Deoarece volumele cilindrilor metalici sunt egale, se dovedește că greutatea apei deplasată de un cilindru plin va fi egală cu forța care o împinge afară din lichid.

Imaginea de mai jos ilustrează experiența descrisă.

Măsurarea densității solidelor

Aceasta este una dintre sarcinile principale ale cântarelor hidrostatice. Experimentul se desfășoară sub forma următorilor pași:

• Se măsoară greutatea corpului, a cărei densitate trebuie găsită. Pentru a face acest lucru, acesta este suspendat de cârligul unuia dintre boluri, iar greutățile masei corespunzătoare sunt plasate pe al doilea bol. Să notăm ce am găsitmodul în care valoarea greutății simbolului de încărcare m_1.
• Corpul măsurat este complet scufundat într-un cilindru de sticlă umplut cu apă distilată. În această poziție, corpul este cântărit din nou. Să presupunem că masa măsurată a fost m_2.
• Calculați valoarea densității ρ_{s a unui solid folosind următoarea formulă:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Aici ρ_l=1 g/cm^{3 este densitatea apei distilate.}

Astfel, pentru a determina densitatea unui corp solid, este necesar să se măsoare greutatea acestuia în aer și într-un lichid a cărui densitate este cunoscută.

Determinarea densității lichidelor

Principiul lui Arhimede, care stă la baza funcționării balanțelor hidrostatice, vă permite să măsurați densitatea oricărui lichid folosind dispozitivul în cauză. Să descriem cum se face:

• Se ia o încărcare arbitrară. Poate fi un cilindru solid metalic sau orice alt corp de formă arbitrară. Apoi, sarcina este scufundată într-un lichid cu o densitate cunoscută ρ_l1 iar greutatea sarcinii este măsurată m_1.
• Aceeași încărcătură este complet scufundată într-un lichid cu o densitate necunoscută ρ_l2. Notați valoarea masei sale în acest caz (m_2).
• Valorile măsurate sunt înlocuite în formulă și determină densitatea lichidului ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bapa distilată este adesea folosită ca lichid cu o densitate cunoscută (ρ_l1=1 g/cm^3).

Astfel, echilibrul hidrostatic al lui Galileo este destul de ușor de utilizat pentru a determina densitatea substanțelor și materialelor. Precizia rezultatelor lor este de 1%.