Imbangan hidrostatik: sejarah penciptaan, komponen, kaedah penggunaan

2024 Pengarang: Aaron Duncan | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-01 20:14

Untuk menentukan ketumpatan cecair dan pepejal, anda perlu mengetahui jisim dan isipadunya. Sekiranya tidak ada masalah dengan mengukur jisim, maka nilai sebenar isipadu badan boleh didapati jika ia mempunyai bentuk geometri sekata yang diketahui, contohnya, bentuk prisma atau piramid. Sekiranya badan mempunyai bentuk sewenang-wenangnya, adalah mustahil untuk menentukan jumlahnya dengan tepat dengan cara geometri standard. Walau bagaimanapun, nilai ketumpatan cecair atau pepejal boleh diukur dengan ketepatan yang tinggi menggunakan neraca hidrostatik.

Latar belakang sejarah

Manusia berminat dalam isu mengukur isipadu dan ketumpatan badan sejak zaman purba. Menurut bukti sejarah yang masih hidup, masalah yang dinyatakan itu mula-mula berjaya diselesaikan oleh Archimedes apabila dia mengatasi tugasan yang diberikan kepadanya untuk menentukan sama ada mahkota emas itu palsu.

Archimedeshidup pada abad III SM. Selepas penemuannya, manusia mengambil masa hampir 2000 tahun untuk mencipta ciptaan yang menggunakan prinsip fizikal yang dirumuskan oleh orang Yunani dalam kerjanya. Ini adalah keseimbangan hidrostatik. Dicipta oleh Galileo pada tahun 1586. Neraca ini telah lama menjadi cara utama untuk mengukur ketumpatan pelbagai cecair dan pepejal dengan tepat. Foto imbangan hidrostatik Galileo ditunjukkan di bawah.

Seterusnya, kepelbagaiannya muncul - skala Mohr-Westphal. Di dalamnya, bukannya dua tuas yang sama, hanya satu digunakan, di mana beban yang diukur digantung, dan di mana beban jisim yang diketahui meluncur untuk mendapatkan keseimbangan. Skala Mohr-Westphal ditunjukkan di bawah.

Pada masa ini, imbangan hidrostatik jarang dilihat di makmal saintifik. Ia telah digantikan dengan instrumen yang lebih tepat dan mudah digunakan seperti piknometer atau penimbang elektronik.

Komponen skala Galileo

Perkakas ini mempunyai dua lengan yang sama panjang yang boleh berputar bebas mengelilingi paksi mendatar tengah. Sebuah cawan digantung dari hujung setiap tuil. Ia direka untuk memegang berat jisim yang diketahui. Terdapat cangkuk di bahagian bawah cawan. Anda boleh menggantung beban yang berbeza daripadanya.

Selain pemberat, keseimbangan hidrostatik termasuk dua silinder logam. Mereka mempunyai jumlah yang sama, hanya satu daripadanya diperbuat daripada logam sepenuhnya, dan yang kedua berongga. Turut disertakan ialah silinder kaca.yang diisi dengan cecair semasa pengukuran.

Alat yang dimaksudkan digunakan untuk menunjukkan hukum Archimedes dan untuk menentukan ketumpatan cecair dan pepejal.

Demonstrasi undang-undang Archimedes

Archimedes menetapkan bahawa jasad yang direndam dalam cecair menyesarkannya, dan berat cecair yang disesarkan adalah betul-betul sama dengan daya apungan yang bertindak ke atas badan itu. Kami akan menunjukkan bagaimana, menggunakan keseimbangan hidrostatik, undang-undang ini boleh disahkan.

Pada mangkuk kiri peranti kami akan menggantung silinder logam berongga dahulu, dan kemudian penuh. Kami meletakkan pemberat di sebelah kanan penimbang untuk mengimbangi peranti. Sekarang mari isi silinder kaca dengan air dan letakkan berat logam penuh mangkuk kiri ke dalamnya supaya ia tenggelam sepenuhnya. Dapat diperhatikan bahawa berat mangkuk yang betul akan lebih besar dan keseimbangan peranti akan terganggu.

Kemudian kami menarik air ke dalam silinder atas berongga. Mari lihat bagaimana penimbang sekali lagi memulihkan keseimbangannya. Oleh kerana isipadu silinder logam adalah sama, ternyata berat air yang disesarkan oleh silinder penuh akan sama dengan daya yang menolaknya keluar dari cecair.

Gambar di bawah menggambarkan pengalaman yang diterangkan.

Pengukuran ketumpatan pepejal

Ini adalah salah satu tugas utama penimbang hidrostatik. Percubaan dijalankan dalam bentuk langkah berikut:

• Berat badan diukur, ketumpatannya harus dicari. Untuk melakukan ini, ia digantung dari cangkuk salah satu mangkuk, dan berat jisim yang sesuai diletakkan pada mangkuk kedua. Mari kita nyatakan apa yang kita temuicara nilai berat simbol beban m_1.
• Badan yang disukat direndam sepenuhnya dalam silinder kaca yang diisi dengan air suling. Dalam kedudukan ini, badan ditimbang semula. Katakan jisim yang diukur ialah m_2.
• Kira nilai ketumpatan ρ_{s pepejal menggunakan formula berikut:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Di sini ρ_l=1 g/cm^{3 ialah ketumpatan air suling.}

Oleh itu, untuk menentukan ketumpatan jasad pepejal, adalah perlu untuk mengukur beratnya di udara dan dalam cecair yang ketumpatannya diketahui.

Menentukan ketumpatan cecair

Prinsip Archimedes, yang merupakan asas untuk pengendalian neraca hidrostatik, membolehkan anda mengukur ketumpatan sebarang cecair menggunakan peranti berkenaan. Mari kita terangkan cara ia dilakukan:

• Beban sewenang-wenangnya diambil. Ia boleh menjadi silinder pepejal logam atau mana-mana badan lain dengan bentuk sewenang-wenangnya. Kemudian, beban direndam dalam cecair dengan ketumpatan yang diketahui ρ_l1 dan berat beban diukur m_1.
• Beban yang sama direndam sepenuhnya dalam cecair dengan ketumpatan yang tidak diketahui ρ_l2. Tulis nilai jisimnya dalam kes ini (m_2).
• Nilai yang diukur digantikan ke dalam formula dan menentukan ketumpatan cecair ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bair suling sering digunakan sebagai cecair dengan ketumpatan yang diketahui (ρ_l1=1 g/cm^3).

Oleh itu, imbangan hidrostatik Galileo agak mudah digunakan untuk menentukan ketumpatan bahan dan bahan. Ketepatan keputusan mereka adalah dalam lingkungan 1%.