Cara Menghitung Kepadatan Komposit

Isi

• Densitas Ditentukan
• Prinsip Archimedes
• Massa, Volume dan Kepadatan: Konversi dan Data Minat
• Distribusi Massal Tidak Rata vs. Seragam
• Kepadatan Bahan Komposit
• Modulus elastis

Massa dan kepadatan - bersama dengan volume, konsep yang menghubungkan dua kuantitas ini, secara fisik dan matematis - adalah dua konsep paling mendasar dalam ilmu fisika.Meskipun demikian, dan meskipun massa, kepadatan, volume, dan berat masing-masing terlibat dalam jutaan perhitungan di seluruh dunia yang tak terhitung jumlahnya setiap hari, banyak orang mudah bingung dengan jumlah ini.

Massa jenis, yang dalam istilah fisik dan sehari-hari hanya merujuk pada konsentrasi sesuatu dalam ruang yang ditentukan, biasanya berarti "kepadatan massa," dan dengan demikian merujuk pada jumlah materi per satuan volume. Banyak kesalahpahaman berlimpah tentang hubungan antara kepadatan dan berat badan. Ini dapat dimengerti dan mudah diselesaikan untuk sebagian besar dengan ulasan seperti ini.

Selain itu, konsep kepadatan komposit penting. Banyak bahan secara alami terdiri dari, atau dibuat dari, campuran atau elemen atau molekul struktural, masing-masing dengan kepadatannya sendiri. Jika Anda mengetahui rasio masing-masing bahan dalam item yang diinginkan, dan dapat mencari atau mengetahui kepadatan masing-masing, maka Anda dapat menentukan kerapatan komposit bahan secara keseluruhan.

Densitas Ditentukan

Kepadatan diberikan huruf Yunani rho (ρ) dan hanya massa dari sesuatu dibagi dengan volume totalnya:

ρ = m / V

Satuan SI (standar internasional) adalah kg / m³, karena kilogram dan meter adalah satuan SI dasar untuk massa dan perpindahan ("jarak"). Namun, dalam banyak situasi kehidupan nyata, gram per mililiter, atau g / mL, adalah unit yang lebih nyaman. Satu mL = 1 sentimeter kubik (cc).

Bentuk suatu benda dengan volume dan massa yang diberikan tidak mempengaruhi kerapatannya, bahkan jika ini dapat mempengaruhi sifat mekanik benda tersebut. Demikian pula, dua benda dengan bentuk yang sama (dan karenanya volume) dan massa selalu memiliki kerapatan yang sama terlepas dari bagaimana massa itu didistribusikan.

Lingkaran massa yang padat M. dan jari-jari R dengan massanya menyebar secara merata ke seluruh bola dan bola massa yang padat M. dan jari-jari R dengan massa yang terkonsentrasi hampir seluruhnya dalam "cangkang" luar tipis memiliki kepadatan yang sama.

Kepadatan air (H₂O) pada suhu kamar dan tekanan atmosfer didefinisikan sebagai tepat 1 g / mL (atau setara, 1 kg / L).

Prinsip Archimedes

Pada zaman Yunani kuno, Archimedes dengan agak cerdiknya membuktikan bahwa ketika sebuah benda terendam air (atau cairan apa pun), gaya yang dialaminya sama dengan massa air yang dipindahkan saat gravitasi (mis., Berat air). Ini mengarah pada ekspresi matematika

m_obj - m_aplikasi = ρ_flV_obj

Dengan kata lain, ini berarti bahwa perbedaan antara benda yang diukur massa dan massa semu ketika terendam, dibagi dengan densitas fluida, memberikan volume objek terendam. Volume ini dengan mudah dilihat ketika objek adalah objek berbentuk teratur seperti bola, tetapi persamaan ini berguna untuk menghitung volume objek berbentuk aneh.

Massa, Volume dan Kepadatan: Konversi dan Data Minat

L adalah 1000 cc = 1.000 mL. Akselerasi karena gravitasi di dekat permukaan Bumi adalah g = 9,80 m / s².

Karena 1 L = 1.000 cc = (10 cm × 10 cm × 10 cm) = (0,1 m × 0,1 m × 0,1 m) = 10^-3 m³, ada 1.000 liter dalam meter kubik. Ini berarti bahwa wadah berbentuk kubus tanpa massa 1 m di setiap sisi dapat menampung 1.000 kg = 2.204 pon air, lebih dari satu ton. Ingat, satu meter hanya sekitar tiga dan seperempat kaki; air mungkin "lebih tebal" dari yang Anda duga!

Distribusi Massal Tidak Rata vs. Seragam

Sebagian besar benda di dunia alami memiliki massa menyebar secara tidak merata ke seluruh ruang yang mereka tempati. Tubuh Anda sendiri adalah contoh; Anda dapat menentukan massa dengan relatif mudah menggunakan skala sehari-hari, dan jika Anda memiliki peralatan yang tepat, Anda dapat menentukan volume tubuh Anda dengan merendam diri dalam bak air dan menggunakan prinsip Archimedes.

Tapi Anda tahu bahwa beberapa bagian jauh lebih padat daripada yang lain (misalnya tulang vs lemak), jadi ada variasi lokal dalam kepadatan.

Beberapa objek mungkin memiliki komposisi yang seragam, dan karenanya kepadatan seragam, meskipun terbuat dari dua elemen atau lebih atau senyawa. Ini dapat terjadi secara alami dalam bentuk polimer tertentu, tetapi kemungkinan merupakan konsekuensi dari proses pembuatan yang strategis, misalnya, kerangka sepeda serat karbon.

Ini berarti bahwa, tidak seperti halnya tubuh manusia, Anda akan mendapatkan sampel material dengan kepadatan yang sama di mana pun di objek tempat Anda mengambilnya atau seberapa kecilnya. Dalam istilah resep, "dicampur sepenuhnya".

Kepadatan Bahan Komposit

Kepadatan massa sederhana bahan komposit, atau bahan yang terbuat dari dua atau lebih bahan berbeda dengan kepadatan individu yang diketahui, dapat dikerjakan menggunakan proses sederhana.

Misalnya, Anda diberi 100 mL cairan yaitu 40 persen air, 30 persen merkuri, dan 30 persen bensin. Berapa kerapatan campuran itu?

Anda tahu bahwa untuk air, ρ = 1,0 g / mL. Berkonsultasi dengan tabel, Anda menemukan bahwa ρ = 13,5 g / mL untuk merkuri dan ρ = 0,66 g / mL untuk bensin. (Ini akan menjadi ramuan yang sangat beracun, sebagai catatan). Ikuti prosedur di atas:

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

Kontribusi mercurys dengan kepadatan tinggi meningkatkan kepadatan keseluruhan campuran jauh di atas air atau bensin.

Modulus elastis

Dalam beberapa kasus, berbeda dengan situasi sebelumnya di mana hanya kepadatan sejati yang dicari, aturan campuran untuk komposit partikel berarti sesuatu yang berbeda. Ini adalah masalah teknik yang menghubungkan resistensi keseluruhan terhadap tekanan dari struktur linear seperti balok dengan resistensi individu serat dan matriks konstituen, karena objek seperti itu sering direkayasa secara strategis untuk memenuhi persyaratan penahan beban tertentu.

Ini sering dinyatakan dalam parameter yang dikenal sebagai modulus elastis E (disebut juga Modulus muda, atau modulus elastisitas). Perhitungan modulus elastis dari bahan komposit cukup sederhana dari sudut pandang aljabar. Pertama, cari nilai individual untuk E dari dalam tabel seperti yang ada di Sumber Daya. Dengan volume V dari setiap komponen dalam sampel yang dipilih diketahui, gunakan hubungannya

E_C = E_F V_F + E_M. V_M. ,

Dimana E_C adalah modulus dari campuran dan subskrip F dan M. lihat masing-masing komponen serat dan matriks.