Cara Menentukan Kepadatan Bahan Padat

Isi

• Apa Kepadatan Itu?
• Densitas vs. Berat Jenis
• Prinsip Archimedes
• Pengukuran Kepadatan Padatan
• Kepadatan Komposit Padat

Ketika Anda melihat atau mendengar kata itu massa jenis, jika Anda terbiasa dengan istilah itu, kemungkinan besar akan memanggil bayangan pikiran Anda tentang "kepadatan": jalan-jalan kota yang padat, katakanlah, atau ketebalan pohon yang tidak biasa di bagian taman di lingkungan Anda.

Dan pada intinya, itulah yang dimaksud dengan kepadatan: konsentrasi sesuatu, dengan penekanan bukan pada jumlah total apa pun di tempat kejadian tetapi berapa banyak yang telah didistribusikan ke ruang yang tersedia.

Kepadatan adalah konsep kritis dalam dunia ilmu fisika. Ini menawarkan cara untuk menghubungkan dasar masalah - hal-hal kehidupan sehari-hari yang biasanya (tetapi tidak selalu) dapat dilihat dan dirasakan atau setidaknya dengan cara apa pun ditangkap dalam pengukuran dalam pengaturan laboratorium - ke ruang dasar, kerangka kerja yang kami gunakan untuk menavigasi dunia. Berbagai jenis materi di Bumi dapat memiliki kepadatan yang sangat berbeda, bahkan dalam bidang materi padat saja.

Pengukuran kepadatan padatan dilakukan dengan menggunakan metode yang berbeda dari yang digunakan dalam menguji kepadatan cairan dan gas. Cara paling akurat untuk mengukur kerapatan seringkali tergantung pada situasi eksperimental, dan apakah sampel Anda hanya mencakup satu jenis materi (material) dengan sifat fisik dan kimia yang diketahui atau beberapa jenis.

Apa Kepadatan Itu?

Dalam fisika, kepadatan sampel material hanyalah massa total sampel dibagi volumenya, terlepas dari bagaimana materi dalam sampel didistribusikan (masalah yang mempengaruhi sifat mekanik benda padat tersebut).

Contoh dari sesuatu yang memiliki kepadatan yang dapat diprediksi dalam kisaran yang diberikan, tetapi juga memiliki tingkat kepadatan yang sangat bervariasi di seluruh tubuh, adalah tubuh manusia, yang terdiri dari rasio air, tulang, dan jenis jaringan lainnya yang kurang lebih tetap.

Kepadatan dan massa keduanya sering dikacaukan bobot, meskipun untuk alasan yang mungkin berbeda. Berat hanyalah gaya yang dihasilkan dari percepatan gravitasi yang bekerja pada materi, atau massa: F = mg. Di Bumi, percepatan karena gravitasi memiliki nilai 9,8 m / s². SEBUAH massa 10 kg dengan demikian memiliki bobot dari (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newton (N).

Berat itu sendiri juga dikacaukan dengan kerapatan, karena alasan sederhana yang diberikan dua benda dengan ukuran yang sama, yang dengan kerapatan lebih tinggi sebenarnya akan lebih berat. Ini adalah dasar untuk pertanyaan jebakan lama, "Mana yang lebih berat, satu pon bulu atau satu pon timah?" Satu pon adalah satu pon tidak peduli apa pun, tetapi kuncinya di sini adalah bahwa pon bulu akan memakan ruang jauh lebih banyak daripada satu pon timah hitam karena kepadatan yang jauh lebih besar.

Densitas vs. Berat Jenis

Istilah fisika yang terkait erat dengan kepadatan adalah berat jenis (SG). Ini hanya kerapatan bahan yang diberikan dibagi dengan kerapatan air. Kepadatan air didefinisikan tepat 1 g / mL (atau setara, 1 kg / L) pada suhu kamar normal, 25 ° C. Ini karena definisi satu liter dalam satuan SI (sistem internasional, atau "metrik") adalah jumlah air yang memiliki massa 1 kg.

Maka, di permukaan, ini tampaknya membuat SG informasi yang agak sepele: Mengapa membaginya dengan 1? Padahal, ada dua alasan. Salah satunya adalah bahwa kepadatan air dan bahan-bahan lainnya sedikit berbeda dengan suhu bahkan dalam kisaran suhu kamar, jadi ketika pengukuran yang tepat diperlukan, variasi ini harus diperhitungkan karena nilai ρ bergantung pada suhu.

Selain itu, meskipun kepadatan memiliki satuan g / mL atau sejenisnya, SG tidak memiliki satuan, karena hanya kepadatan yang dibagi dengan kepadatan. Fakta bahwa kuantitas ini hanyalah sebuah konstanta membuat beberapa perhitungan yang melibatkan kepadatan lebih mudah.

Prinsip Archimedes

Mungkin aplikasi praktis terbesar dari kepadatan bahan padat terletak pada Prinsip Archimedes, ditemukan ribuan tahun yang lalu oleh seorang sarjana Yunani dengan nama yang sama. Prinsip ini menegaskan bahwa, ketika benda padat ditempatkan dalam fluida, objek dikenakan jaring ke atas kekuatan apung sama dengan bobot dari cairan yang dipindahkan.

Gaya ini sama terlepas dari pengaruhnya pada objek, yang mungkin mendorongnya ke permukaan (jika densitas objek kurang dari fluida), memungkinkannya melayang sempurna di tempatnya (jika kepadatan objek persis sama dengan fluida) atau membiarkannya tenggelam (jika densitas objek lebih besar dari fluida).

Secara simbolis, prinsip ini dinyatakan sebagai F_B = W_f, dimana F_B adalah kekuatan apung dan W_f adalah berat fluida yang dipindahkan.

Pengukuran Kepadatan Padatan

Dari berbagai metode yang digunakan untuk menentukan kepadatan bahan padat, penimbangan hidrostatik adalah yang disukai karena ini adalah yang paling akurat, jika bukan yang paling nyaman. Sebagian besar bahan padat yang menarik tidak dalam bentuk bentuk geometris yang rapi dengan volume yang mudah dihitung, membutuhkan penentuan volume tidak langsung.

Ini adalah salah satu dari banyak jalan kehidupan yang prinsip Archimedes berguna. Subjek ditimbang baik di udara maupun dalam cairan dengan kepadatan yang diketahui (air jelas merupakan pilihan yang berguna). Jika suatu benda dengan massa "tanah" 60 kg (W = 588 N) menggantikan 50 L air ketika direndam untuk ditimbang, densitasnya harus 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Jika, dalam contoh ini, Anda ingin agar objek yang lebih padat dari air ini tetap di tempatnya dengan menerapkan gaya ke atas sebagai tambahan pada gaya apung, berapakah besarnya gaya ini? Anda hanya menghitung perbedaan antara berat air yang dipindahkan dan berat objek: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

Kepadatan Komposit Padat

Kadang-kadang Anda dihadapkan dengan objek yang berisi lebih dari satu jenis bahan, tetapi tidak seperti contoh tubuh manusia, mengandung bahan-bahan ini dengan cara yang terdistribusi secara seragam. Yaitu, jika Anda mengambil sampel kecil dari material, itu akan memiliki rasio yang sama dari material A ke material B seperti seluruh objek.

Satu situasi di mana ini terjadi adalah dalam rekayasa struktural, di mana balok dan elemen pendukung lainnya sering dibuat dari dua jenis bahan: matriks (M) dan serat (F). Jika Anda memiliki sampel balok ini yang terdiri dari rasio volume yang diketahui dari kedua elemen ini, dan mengetahui kerapatan masing-masing, Anda dapat menghitung kerapatan komposit (ρ_C) menggunakan persamaan berikut:

ρ_C = ρ_FV_F + ρ_M.V_M.,

Dimana ρ_F dan ρ_M. dan V_F dan Vm adalah fraksi kepadatan dan volume (yaitu, persentase balok yang terdiri dari serat atau matriks, dikonversi ke angka desimal) dari setiap jenis bahan.

Contoh: Sampel 1.000 mL benda misteri mengandung 70 persen bahan batuan dengan kerapatan 5 g / mL dan bahan mirip gel 30 persen dengan kerapatan 2 g / mL. Berapakah kerapatan benda (komposit)?

ρ_C = ρ_RV_R + ρ_GV_G = (5 g / mL) (0,70) + (2 g / mL) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / mL.