Hydrostatiske balancer: skabelseshistorie, komponenter, brugsmetoder

2024 Forfatter: Aaron Duncan | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-01 20:05

For at bestemme massefylden af væsker og faste stoffer skal du kende deres masse og volumen. Hvis der ikke er problemer med at måle massen, kan den nøjagtige værdi af kroppens volumen findes, hvis den har en kendt regelmæssig geometrisk form, for eksempel formen af et prisme eller en pyramide. Hvis kroppen har en vilkårlig form, er det umuligt nøjagtigt at bestemme dets volumen ved standard geometriske midler. Densitetsværdien af en væske eller et fast stof kan dog måles med høj nøjagtighed ved hjælp af en hydrostatisk balance.

Historisk baggrund

Mennesket har været interesseret i spørgsmålet om måling af legemers volumen og tæthed siden oldtiden. Ifølge overlevende historiske beviser blev det bemærkede problem først løst med succes af Arkimedes, da han klarede den opgave, han fik til at afgøre, om den gyldne krone var falsk.

Archimedeslevede i det tredje århundrede f. Kr. Efter dens opdagelse tog det menneskeheden næsten 2000 år at skabe en opfindelse, der bruger det fysiske princip formuleret af grækeren i sit arbejde. Dette er en hydrostatisk balance. Opfundet af Galileo i 1586. Disse vægte har længe været den vigtigste måde at nøjagtigt måle massefylden af forskellige væsker og faste stoffer. Et billede af Galileos hydrostatiske balance er vist nedenfor.

Efterfølgende dukkede deres sort op - Mohr-Westphal skæl. I dem blev der i stedet for to identiske håndtag kun brugt én, hvorpå den målte last var ophængt, og langs hvilken laster af en kendt masse gled for at opnå balance. Mohr-Westphal skalaer er vist nedenfor.

I øjeblikket ses hydrostatiske balancer sjældent i videnskabelige laboratorier. De er blevet erstattet af mere nøjagtige og brugervenlige instrumenter såsom pyknometer eller elektroniske vægte.

Komponenter af Galileos skalaer

Dette apparat har to arme af samme længde, som frit kan rotere omkring en central vandret akse. En kop er ophængt fra enden af hvert håndtag. Den er designet til at holde vægte med kendt masse. Der er en krog i bunden af kopperne. Du kan hænge forskellige læs fra den.

Udover vægtene inkluderer den hydrostatiske vægt to metalcylindre. De har samme volumen, kun en af dem er udelukkende lavet af metal, og den anden er hul. Der medfølger også en glascylinder.som er fyldt med væske under målinger.

Det pågældende instrument bruges til at demonstrere Arkimedes lov og til at bestemme massefylden af væsker og faste stoffer.

Demonstration af Arkimedes lov

Archimedes konstaterede, at et legeme nedsænket i en væske fortrænger det, og vægten af den fortrængte væske er nøjagtigt lig med den flydekraft, der virker opad på kroppen. Vi vil vise, hvordan denne lov ved hjælp af en hydrostatisk balance kan verificeres.

Til venstre skål af enheden vil vi først hænge en hul metalcylinder og derefter en fuld. Vi sætter vægte på højre side af vægten for at afbalancere enheden. Lad os nu fylde glascylinderen med vand og placere den fulde metalvægt af den venstre skål i den, så den er helt nedsænket. Det kan observeres, at vægten af den højre skål vil være større, og balancen i enheden vil blive forstyrret.

Så trækker vi vand ind i den hule øvre cylinder. Lad os se, hvordan vægten igen genopretter deres balance. Da volumen af metalcylindre er ens, viser det sig, at vægten af vand, der fortrænges af en fuld cylinder, vil være lig med kraften, der skubber det ud af væsken.

Billedet nedenfor illustrerer den beskrevne oplevelse.

Densitetsmåling af faste stoffer

Dette er en af hovedopgaverne for hydrostatiske vægte. Eksperimentet udføres i form af følgende trin:

• Kroppens vægt måles, hvis tæthed skal findes. For at gøre dette er det suspenderet fra krogen på en af skålene, og vægte af den passende masse placeres på den anden skål. Lad os betegne, hvad vi fandtmåde værdien af vægten af lastsymbolet m_1.
• Den målte krop er helt nedsænket i en glascylinder fyldt med destilleret vand. I denne stilling vejes kroppen igen. Antag, at den målte masse var m_2.
• Beregn tæthedsværdien ρ_{s for et fast stof ved hjælp af følgende formel:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Here ρ_l=1 g/cm^{3 er densiteten af destilleret vand.}

For at bestemme massefylden af et fast legeme er det således nødvendigt at måle dets vægt i luft og i en væske, hvis densitet er kendt.

Bestemmelse af densiteten af væsker

Arkimedes princip, som er grundlaget for driften af hydrostatiske vægte, giver dig mulighed for at måle tætheden af enhver væske ved hjælp af den pågældende enhed. Lad os beskrive, hvordan det gøres:

• En vilkårlig belastning er taget. Det kan være en solid metalcylinder eller en hvilken som helst anden krop af vilkårlig form. Derefter nedsænkes lasten i en væske med en kendt massefylde ρ_l1 og vægten af lasten måles m_1.
• Den samme last er helt nedsænket i en væske med en ukendt massefylde ρ_l2. Skriv værdien af dens masse ned i dette tilfælde (m_2).
• De målte værdier erstattes med formlen og bestemmer væskens massefylde ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bdestilleret vand bruges ofte som en væske med en kendt massefylde (ρ_l1=1 g/cm^3)..

Galileos hydrostatiske balance er således ret nem at bruge til at bestemme densiteten af stoffer og materialer. Nøjagtigheden af deres resultater er inden for 1%.