Hydrostatiska balanser: skapelsehistoria, komponenter, användningsmetoder

2024 Författare: Aaron Duncan | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-01 20:18

För att bestämma densiteten för vätskor och fasta ämnen måste du känna till deras massa och volym. Om det inte finns några problem med att mäta massan, kan det exakta värdet av kroppens volym hittas om den har en känd regelbunden geometrisk form, till exempel formen av ett prisma eller en pyramid. Om kroppen har en godtycklig form är det omöjligt att exakt bestämma dess volym med vanliga geometriska medel. Däremot kan densitetsvärdet för en vätska eller fast substans mätas med hög noggrannhet med hjälp av en hydrostatisk balans.

Historisk bakgrund

Mänskligheten har varit intresserad av frågan om att mäta kroppars volym och täthet sedan urminnes tider. Enligt bevarade historiska bevis löstes det noterade problemet först framgångsrikt av Arkimedes när han klarade av uppdraget som gavs honom att avgöra om den gyllene kronan var falsk.

Archimedeslevde på III-talet f. Kr. Efter upptäckten tog det nästan 2000 år för mänskligheten att skapa en uppfinning som använder den fysiska princip som greken formulerat i sitt arbete. Detta är en hydrostatisk balans. Uppfanns av Galileo 1586. Dessa vågar har länge varit det främsta sättet att exakt mäta densiteten hos olika vätskor och fasta ämnen. Ett foto av Galileos hydrostatiska balans visas nedan.

Sedermera dök deras sort upp - Mohr-Westphal-fjäll. I dem användes i stället för två identiska spakar endast en, på vilken den uppmätta lasten hängdes upp, och längs vilken laster av en känd massa gled för att uppnå balans. Mohr-Westphal-fjäll visas nedan.

För närvarande ses hydrostatiska balanser sällan i vetenskapliga laboratorier. De har ersatts av mer exakta och lättanvända instrument som pyknometer eller elektroniska vågar.

Komponenter av Galileos våg

Denna apparat har två armar av samma längd som fritt kan rotera runt en central horisontell axel. En kopp är upphängd i änden av varje spak. Den är utformad för att hålla vikter med känd massa. Det finns en krok i botten av kopparna. Du kan hänga olika laster från den.

Förutom vikterna innehåller den hydrostatiska vågen två metallcylindrar. De har samma volym, bara en av dem är helt gjord av metall och den andra är ihålig. En glascylinder medföljer också.som fylls med vätska vid mätningar.

Instrumentet i fråga används för att demonstrera Arkimedes lag och för att bestämma densiteten hos vätskor och fasta ämnen.

Demonstration av Arkimedes lag

Archimedes konstaterade att en kropp nedsänkt i en vätska förskjuter den, och vikten av den undanträngda vätskan är exakt lika med den flytande kraften som verkar uppåt på kroppen. Vi kommer att visa hur denna lag kan verifieras med hjälp av en hydrostatisk balans.

Till den vänstra skålen på enheten hänger vi först en ihålig metallcylinder och sedan en full. Vi lägger vikter på vågens högra sida för att balansera enheten. Låt oss nu fylla glascylindern med vatten och placera hela metallvikten från den vänstra skålen i den så att den är helt nedsänkt. Det kan observeras att vikten på den högra skålen blir större och balansen på enheten kommer att störas.

Sedan drar vi vatten i den ihåliga övre cylindern. Låt oss se hur vågen återställer balansen. Eftersom volymerna av metallcylindrar är lika, visar det sig att vikten av vatten som förskjuts av en full cylinder kommer att vara lika med kraften som trycker ut det ur vätskan.

Bilden nedan illustrerar upplevelsen som beskrivs.

Densitetsmätning av fasta ämnen

Detta är en av huvuduppgifterna för hydrostatiska vågar. Experimentet utförs i form av följande steg:

• Kroppens vikt mäts, vars densitet bör hittas. För att göra detta hängs den från kroken på en av skålarna och vikter av lämplig massa placeras på den andra skålen. Låt oss beteckna vad vi hittadesätt värdet på vikten av lastsymbolen m_1.
• Den uppmätta kroppen är helt nedsänkt i en glascylinder fylld med destillerat vatten. I denna position vägs kroppen igen. Antag att den uppmätta massan var m_2.
• Beräkna densitetsvärdet ρ_{s för ett fast ämne med följande formel:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Här ρ_l=1 g/cm^{3 är densiteten för destillerat vatten.}

För att bestämma densiteten hos en fast kropp är det alltså nödvändigt att mäta dess vikt i luft och i en vätska vars densitet är känd.

Bestämma vätskors densitet

Arkimedes princip, som är grunden för driften av hydrostatiska vågar, gör att du kan mäta densiteten hos vilken vätska som helst med hjälp av enheten i fråga. Låt oss beskriva hur det görs:

• En godtycklig belastning tas. Det kan vara en solid metallcylinder eller någon annan kropp av godtycklig form. Därefter nedsänks lasten i en vätska med en känd densitet ρ_l1 och lastens vikt mäts m_1.
• Samma last är helt nedsänkt i en vätska med okänd densitet ρ_l2. Skriv ner värdet på dess massa i detta fall (m_2).
• De uppmätta värdena ersätts i formeln och bestämmer vätskans densitet ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bdestillerat vatten används ofta som en vätska med en känd densitet (ρ_l1=1 g/cm^3).

Därmed är Galileos hydrostatiska balans ganska enkel att använda för att bestämma densiteten av ämnen och material. Noggrannheten för deras resultat är inom 1%.