Kuinka laskea komposiitti tiheys

Sisältö

• Tiheys määritelty
• Archimedes-periaate
• Massa, tilavuus ja tiheys: muunnokset ja kiinnostavat tiedot
• Epätasainen vs. tasainen massajakauma
• Komposiittimateriaalien tiheys
• Joustava moduuli

Massa ja tiheys - sekä tilavuus, käsite, joka yhdistää nämä kaksi määrää, fyysisesti ja matemaattisesti - ovat kaksi fysiikan perusteellisinta käsitettä.Siitä huolimatta, ja vaikka massa, tiheys, tilavuus ja paino ovatkin mukana lukemattomissa miljoonissa laskelmissa maailmanlaajuisesti päivittäin, nämä määrät sekoittavat helposti monet ihmiset.

Tiheys, joka viittaa sekä fyysisesti että arkipäivänä yksinkertaisesti jonkin pitoisuuteen määrätyssä tilassa, tarkoittaa yleensä "massatiheyttä", ja siten se viittaa aineen määrä tilavuusyksikköä kohti. Tiheyden ja painon välisestä suhteesta on paljon väärää käsitystä. Nämä ovat ymmärrettäviä ja helposti selvitettävissä useimmille tämän kaltaisilla arvosteluilla.

Lisäksi käsite komposiitti tiheys on tärkeää. Monet materiaalit koostuvat luonnollisesti seoksesta tai elementeistä tai rakennemolekyyleistä tai valmistetaan niistä, jokaisella on oma tiheys. Jos tiedät yksittäisten materiaalien suhteen toisiinsa kiinnostavassa tuotteessa ja osaat etsiä tai muuten selvittää niiden yksilölliset tiheydet, voit määrittää koko materiaalin komposiittipaksuuden.

Tiheys määritelty

Tiheydelle annetaan kreikkalainen kirjain rho (ρ) ja se on yksinkertaisesti jonkin massan jaettu sen kokonaistilavuudella:

ρ = m / V

SI (standardi kansainvälinen) yksikkö on kg / m³, koska kilogrammat ja mittarit ovat SI: n perusyksiköitä vastaavasti massaa ja siirtymää ("etäisyys"). Kuitenkin monissa tosielämän tilanteissa grammat millilitrassa tai g / ml ovat kätevämpi yksikkö. Yksi ml = 1 kuutiometriä (cc).

Tietyllä tilavuudella ja massalla olevan esineen muodolla ei ole vaikutusta sen tiheyteen, vaikka tämä voi vaikuttaa esineiden mekaanisiin ominaisuuksiin. Samoin kahdella saman muotoisella (ja siten tilavuudeltaan) ja massalla olevalla esineellä on aina sama tiheys riippumatta siitä, kuinka massa jakautuu.

Kiinteä massapiiri M ja säde R sen massan jakautuessa tasaisesti koko palloon ja kiinteän massapallo M ja säde R sen massan ollessa keskittynyt melkein kokonaan ohueseen ulompaan "kuoreen" on sama tiheys.

Veden tiheys (H₂O) huoneenlämpötilassa ja ilmakehän paineessa määritellään tarkalleen 1 g / ml (tai vastaavasti, 1 kg / L).

Archimedes-periaate

Muinaisen Kreikan päivinä Archimedes osoitti melko nerokkaasti, että kun esine upotetaan veteen (tai mihin tahansa nesteeseen), sen kokema voima on yhtä suuri kuin veden massa, joka on siirretty painovoimaa kohti (ts. Veden paino). Tämä johtaa matemaattiseen lausekkeeseen

m_obj - m_sovellus = ρ_FLV_obj

Sanoin tämä tarkoittaa, että upotettujen esineiden mitatun massan ja sen näennäismassan välinen ero jaettuna nesteen tiheydellä antaa upotetun esineen tilavuuden. Tämä tilavuus havaitaan helposti, kun esine on säännöllisesti muotoiltu esine, kuten pallo, mutta yhtälö on hyödyllinen omituisesti muotoiltujen esineiden tilavuuden laskemisessa.

Massa, tilavuus ja tiheys: muunnokset ja kiinnostavat tiedot

AL on 1000 cm3 = 1000 ml. Maapallon lähellä olevan painovoiman aiheuttama kiihtyvyys on g = 9,80 m / s².

Koska 1 L = 1000 cc = (10 cm × 10 cm × 10 cm) = (0,1 m × 0,1 m × 0,1 m) = 10^-3 m³, on 1000 litraa kuutiometrissä. Tämä tarkoittaa, että massaton kuutionmuotoinen säiliö, joka on 1 m kummaltakin puolelta, mahtuisi 1 000 kg = 2 204 puntaa vettä yli tonnin. Muista, että mittari on vain noin kolme ja neljäsosa metriä; vesi on ehkä "paksumpaa" kuin luulit!

Epätasainen vs. tasainen massajakauma

Suurimman osan luonnollisen esineen massa on jakautunut epätasaisesti mihin tahansa tilaan ne ovat. Oma ruumiisi on esimerkki; Voit määrittää massasi suhteellisen helposti käyttämällä jokapäiväistä mittakaavaa, ja jos sinulla olisi oikeat välineet, voit määrittää kehosi tilavuuden upottamalla itsesi vesikylvyyn ja käyttämällä Archimedes-periaatetta.

Mutta tiedät, että jotkut osat ovat paljon tiheämpiä kuin toiset (esimerkiksi luu vs. rasva), joten siellä on paikallinen variaatio tiheydessä.

Joillakin esineillä voi olla yhtenäinen koostumus ja siten tasainen tiheyshuolimatta siitä, että ne on tehty kahdesta tai useammasta elementistä tai yhdisteistä. Tämä voi tapahtua luonnollisesti tiettyjen polymeerien muodossa, mutta on todennäköisesti seurausta strategisesta valmistusprosessista, esimerkiksi hiilikuitupyöräkehyksistä.

Tämä tarkoittaa, että toisin kuin ihmiskehon tapauksessa, saisit näytteen saman tiheydestä materiaalista riippumatta siitä, mistä esineestä olet poistanut tai kuinka pieni se oli. Reseptin mukaan se on "täysin sekoitettu".

Komposiittimateriaalien tiheys

Yksinkertainen massatiheys komposiitti materiaalittai materiaalit, jotka on valmistettu kahdesta tai useammasta erillisestä materiaalista, joilla on tunnetut yksilölliset tiheydet, voidaan työstää yksinkertaisella prosessilla.

Oletetaan esimerkiksi, että sinulle annetaan 100 ml nestettä, joka on 40 prosenttia vettä, 30 prosenttia elohopeaa ja 30 prosenttia bensiiniä. Mikä on seoksen tiheys?

Tiedät, että vedessä ρ = 1,0 g / ml. Pöydästä käy ilmi, että ρ = 13,5 g / ml elohopealla ja ρ = 0,66 g / ml bensiinillä. (Tämä tekisi levylle erittäin myrkyllisen pilaantumisen.) Noudata yllä olevaa menettelyä:

(0,40) (1,0) + (0,30) (13,5) + (0,30) (0,66) = 4,65 g / ml.

Elohopeaosuuden suuri tiheys lisää seoksen kokonaistiheyttä selvästi veden tai bensiinin tiheyttä suurempana.

Joustava moduuli

Joissain tapauksissa, toisin kuin aikaisemmassa tilanteessa, jossa etsitään vain todellista tiheyttä, hiukkaskomposiittien sekoitussääntö tarkoittaa jotain erilaista. Se on tekninen huolenaihe, joka liittää lineaarisen rakenteen, kuten palkin, kokonaisjännityksen kestävyyteen yksilönsä kestävyyteen kuitu ja matriisi komponentteja, koska tällaiset esineet suunnitellaan usein strategisesti vastaamaan tiettyjä kantavuusvaatimuksia.

Tämä ilmaistaan ​​usein parametrilla, joka tunnetaan nimellä kimmokerroin E (kutsutaan myös Nuorten moduuli, tai kimmokerroin). Yhdistelmämateriaalien kimmokerroinlaskelma on melko yksinkertaista algebrallisesta näkökulmasta katsottuna. Etsi ensin yksittäiset arvot E taulukosta, kuten Resursseissa. Määrällä V kustakin tunnetun valitun näytteen komponentista, käytä suhdetta

E_C = E_F V_F + E_M V_M ,

Missä E_C on seoksen ja alaindeksien moduuli F ja M viittaavat kuitu- ja matriisikomponentteihin.