Hidrostatiniai balansai: sukūrimo istorija, komponentai, naudojimo būdai

2024 Autorius: Aaron Duncan | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-01 20:13

Norėdami nustatyti skysčių ir kietųjų medžiagų tankį, turite žinoti jų masę ir tūrį. Jei nėra problemų matuojant masę, tikslią kūno tūrio vertę galima rasti, jei jis turi žinomą taisyklingą geometrinę formą, pavyzdžiui, prizmės ar piramidės formą. Jei kūnas yra savavališkos formos, neįmanoma tiksliai nustatyti jo tūrio standartinėmis geometrinėmis priemonėmis. Tačiau skysčio ar kietos medžiagos tankio vertė gali būti išmatuota labai tiksliai naudojant hidrostatinę balansą.

Istorijos fonas

Kūnų tūrio ir tankio matavimo problema žmoniją domino nuo senų senovės. Remiantis išlikusiais istoriniais įrodymais, pažymėtą problemą pirmą kartą sėkmingai išsprendė Archimedas, kai susidorojo su jam duota užduotimi nustatyti, ar auksinė karūna netikra.

Archimedasgyveno III amžiuje prieš Kristų. Po jo atradimo žmonijai prireikė beveik 2000 metų, kad sukurtų išradimą, kuris savo darbe naudoja graikų suformuluotą fizikinį principą. Tai yra hidrostatinis balansas. Išrado Galilėjus 1586 m. Šios svarstyklės nuo seno buvo pagrindinis būdas tiksliai išmatuoti įvairių skysčių ir kietųjų medžiagų tankį. Galileo hidrostatinės pusiausvyros nuotrauka parodyta žemiau.

Vėliau pasirodė jų įvairovė – Mohr-Westphal žvyneliai. Juose vietoj dviejų vienodų svirčių buvo naudojama tik viena, ant kurios buvo pakabinta išmatuota apkrova, o išilgai slydo žinomos masės apkrovos, kad būtų pasiekta pusiausvyra. Mohr-Westphal skalės parodytos žemiau.

Šiuo metu mokslinėse laboratorijose retai pastebimi hidrostatiniai balansai. Jie buvo pakeisti tikslesniais ir paprastesniais prietaisais, tokiais kaip piknometras arba elektroninės svarstyklės.

Galileo svarstyklių komponentai

Šis prietaisas turi dvi tokio paties ilgio svirtis, kurios gali laisvai suktis aplink centrinę horizontalią ašį. Ant kiekvienos svirties galo pakabinamas puodelis. Jis skirtas išlaikyti žinomos masės svorius. Puodelių apačioje yra kabliukas. Ant jo galite pakabinti įvairius krovinius.

Be svarmenų, hidrostatinėje svarstyklėje yra du metaliniai cilindrai. Jų tūris vienodas, tik vienas iš jų yra visiškai metalinis, o antrasis – tuščiaviduris. Taip pat yra stiklinis cilindras.kuris matavimų metu užpildomas skysčiu.

Atitinkamas instrumentas naudojamas Archimedo dėsniui parodyti ir skysčių bei kietųjų medžiagų tankiui nustatyti.

Archimedo dėsnio demonstravimas

Archimedas nustatė, kad į skystį panardintas kūnas jį išstumia, o išstumto skysčio svoris yra tiksliai lygus plūduriuojančiai jėgai, veikiančiai kūną aukštyn. Parodysime, kaip naudojant hidrostatinį balansą galima patikrinti šį dėsnį.

Prie prietaiso kairiojo dubens pirmiausia pakabinsime tuščiavidurį metalinį cilindrą, o tada pilną. Dešinėje svarstyklių pusėje dedame svarmenis, kad subalansuotume įrenginį. Dabar užpildykime stiklinį cilindrą vandens ir įdėkite į jį visą kairiojo dubens metalinį svorį, kad jis būtų visiškai panardintas. Galima pastebėti, kad dešiniojo dubenėlio svoris bus didesnis, o prietaiso pusiausvyra bus sutrikdyta.

Tada į tuščiavidurį viršutinį cilindrą įtraukiame vandens. Pažiūrėkime, kaip svarstyklės vėl atkuria pusiausvyrą. Kadangi metalinių cilindrų tūriai yra vienodi, išeina, kad pilno cilindro išstumto vandens svoris bus lygus jėgai, išstumiančiai jį iš skysčio.

Toliau pateikta nuotrauka iliustruoja aprašytą patirtį.

Kietųjų medžiagų tankio matavimas

Tai viena iš pagrindinių hidrostatinių svarstyklių užduočių. Eksperimentas atliekamas tokiais žingsniais:

• Išmatuotas kūno svoris, kurio tankis turėtų būti nustatytas. Norėdami tai padaryti, jis pakabinamas ant vieno iš dubenėlių kabliuko, o ant antrojo dubens uždedami atitinkamos masės svareliai. Pažymėkime, ką radomebūdas krovinio simbolio svorio reikšmė m_1.
• Išmatuotas korpusas yra visiškai panardintas į stiklinį cilindrą, pripildytą distiliuoto vandens. Šioje pozicijoje kūnas vėl pasveriamas. Tarkime, kad išmatuota masė buvo m_2.
• Apskaičiuokite kietosios medžiagos tankio reikšmę ρ_{s naudodami šią formulę:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Čia ρ_l=1 g/cm^{3 yra distiliuoto vandens tankis.}

Taigi, norint nustatyti kieto kūno tankį, būtina išmatuoti jo svorį ore ir skystyje, kurio tankis žinomas.

Skysčių tankio nustatymas

Archimedo principas, kuris yra hidrostatinių svarstyklių veikimo pagrindas, leidžia išmatuoti bet kokio skysčio tankį naudojant atitinkamą prietaisą. Aprašykime, kaip tai daroma:

• Paimamas savavališkas įkėlimas. Tai gali būti metalinis kietas cilindras arba bet koks kitas savavališkos formos korpusas. Tada krovinys panardinamas į žinomo tankio ρ_l1 skystį ir matuojamas krovinio svoris m_1.
• Tas pats krovinys yra visiškai panardintas į skystį, kurio tankis nežinomas ρ_l2. Užrašykite jo masės reikšmę šiuo atveju (m_2).
• Išmatuotos vertės pakeičiamos į formulę ir nustato skysčio tankį ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bdistiliuotas vanduo dažnai naudojamas kaip žinomo tankio skystis (ρ_l1=1 g/cm^3).

Taigi, „Galileo“hidrostatinį balansą gana paprasta naudoti medžiagų ir medžiagų tankiui nustatyti. Jų rezultatų tikslumas yra 1%.