Hidrostatične tehtnice: zgodovina nastanka, komponente, načini uporabe

2024 Avtor: Aaron Duncan | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-01 20:17

Za določitev gostote tekočin in trdnih snovi morate poznati njihovo maso in prostornino. Če ni težav z merjenjem mase, potem je mogoče najti natančno vrednost prostornine telesa, če ima znano pravilno geometrijsko obliko, na primer obliko prizme ali piramide. Če ima telo poljubno obliko, je nemogoče natančno določiti njegovo prostornino s standardnimi geometrijskimi sredstvi. Vendar pa je mogoče vrednost gostote tekočine ali trdne snovi izmeriti z visoko natančnostjo s hidrostatično tehtnico.

Zgodovinsko ozadje

Človeštvo že od antičnih časov zanima vprašanje merjenja prostornine in gostote teles. Glede na preživele zgodovinske dokaze je omenjeno težavo prvič uspešno rešil Arhimed, ko se je spopadel z nalogo, da ugotovi, ali je zlata krona ponaredek.

Arhimedživel v III stoletju pr. Po njegovem odkritju je človeštvo potrebovalo skoraj 2000 let, da je ustvarilo izum, ki pri svojem delu uporablja fizikalni princip, ki so ga oblikovali Grki. To je hidrostatično ravnovesje. Izumil ga je Galileo leta 1586. Te tehtnice so že dolgo glavni način za natančno merjenje gostote različnih tekočin in trdnih snovi. Spodaj je prikazana fotografija Galilejevega hidrostatičnega ravnotežja.

Pozneje se je pojavila njihova sorta - Mohr-Westphalove lestvice. V njih je bila namesto dveh enakih vzvodov uporabljena le ena, na kateri je bila obešena izmerjena obremenitev in po kateri so drseli bremeni znane mase, da bi dosegli ravnotežje. Mohr-Westphalova lestvica je prikazana spodaj.

Trenutno so hidrostatične tehtnice redko vidne v znanstvenih laboratorijih. Zamenjali so jih bolj natančni in enostavni za uporabo instrumenti, kot so piknometer ali elektronska tehtnica.

Sestavni deli Galilejeve tehtnice

Ta naprava ima dve kraki enake dolžine, ki se lahko prosto vrtita okoli osrednje vodoravne osi. Na koncu vsakega vzvoda je obešena skodelica. Zasnovan je za držanje uteži znane mase. Na dnu skodelic je kavelj. Nanj lahko obesite različne tovore.

Poleg uteži hidrostatična tehtnica vključuje dva kovinska cilindra. Imajo enako prostornino, le ena je v celoti kovinska, druga pa votla. Priložen je tudi stekleni cilinder.ki je med meritvami napolnjena s tekočino.

Zadevni instrument se uporablja za prikaz Arhimedovega zakona in za določanje gostote tekočin in trdnih snovi.

Demonstracija Arhimedovega zakona

Arhimed je ugotovil, da ga telo, potopljeno v tekočino, premakne, teža izrinjene tekočine pa je natančno enaka vzgonski sili, ki deluje navzgor na telo. Pokazali bomo, kako je s hidrostatičnim ravnotežjem ta zakon mogoče preveriti.

Na levo skledo naprave bomo najprej obesili votli kovinski cilinder, nato pa še polnega. Na desno stran tehtnice postavimo uteži, da uravnotežimo napravo. Zdaj napolnimo stekleni valj z vodo in vanj položimo celotno kovinsko težo leve posode, tako da je popolnoma potopljena. Opazimo lahko, da bo teža desne posode večja, ravnovesje naprave pa bo moteno.

Nato potegnemo vodo v votli zgornji valj. Poglejmo, kako tehtnica ponovno vzpostavi ravnovesje. Ker so prostornine kovinskih jeklenk enake, se izkaže, da bo teža vode, ki jo izpodrine poln valj, enaka sili, ki jo potisne iz tekočine.

Spodnja slika ponazarja opisano izkušnjo.

Merenje gostote trdnih snovi

To je ena od glavnih nalog hidrostatične tehtnice. Poskus se izvede v obliki naslednjih korakov:

• Izmeri se teža telesa, katere gostoto je treba najti. V ta namen ga obesimo na kavelj ene od posod, na drugo posodo pa namestimo uteži ustrezne mase. Označimo, kaj smo našlinačin vrednost teže simbola tovora m_1.
• Izmerjeno telo je popolnoma potopljeno v stekleni valj, napolnjen z destilirano vodo. V tem položaju se telo ponovno stehta. Recimo, da je bila izmerjena masa m_2.
• Izračunajte vrednost gostote ρ_{s trdne snovi z uporabo naslednje formule:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Tukaj je ρ_l=1 g/cm^{3 je gostota destilirane vode.}

Tako je za določitev gostote trdnega telesa potrebno izmeriti njegovo težo v zraku in v tekočini, katere gostota je znana.

Določanje gostote tekočin

Arhimedov princip, ki je osnova za delovanje hidrostatičnih tehtnic, vam omogoča merjenje gostote katere koli tekočine z uporabo zadevne naprave. Opišimo, kako se to naredi:

• Prevzame se poljubna obremenitev. Lahko je kovinski trdni valj ali katero koli drugo telo poljubne oblike. Nato se tovor potopi v tekočino z znano gostoto ρ_l1 in izmeri se teža tovora m_1.
• Isti tovor je popolnoma potopljen v tekočino z neznano gostoto ρ_l2. Zapišite vrednost njegove mase v tem primeru (m_2).
• Izmerjene vrednosti se nadomestijo v formulo in določijo gostoto tekočine ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

BDestilirana voda se pogosto uporablja kot tekočina z znano gostoto (ρ_l1=1 g/cm^3).

Tako je Galilejevo hidrostatično ravnotežje zelo enostavno uporabiti za določanje gostote snovi in materialov. Natančnost njihovih rezultatov je znotraj 1%.