Гидростатикалық баланстар: жасалу тарихы, құрамдас бөліктері, қолдану әдістері

2024 Автор: Aaron Duncan | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-01 20:12

Сұйықтар мен қатты заттардың тығыздығын анықтау үшін олардың массасы мен көлемін білу керек. Егер массаны өлшеуде қиындықтар болмаса, дененің көлемінің нақты мәнін оның белгілі тұрақты геометриялық пішіні болса, мысалы, призма немесе пирамида пішіні болса табуға болады. Дененің еркін пішіні болса, оның көлемін стандартты геометриялық құралдармен дәл анықтау мүмкін емес. Дегенмен, сұйық немесе қатты дененің тығыздық мәнін гидростатикалық таразы арқылы жоғары дәлдікпен өлшеуге болады.

Тарихи дерек

Денелердің көлемі мен тығыздығын өлшеу мәселесі адамзатты ерте заманнан қызықтырған. Тірі қалған тарихи деректерге сәйкес, аталған мәселені алғаш рет Архимед алтын тәждің жалған екенін анықтау тапсырмасын орындаған кезде сәтті шешкен.

АрхимедIII ғасырда өмір сүрген. Оны ашқаннан кейін, гректер тұжырымдаған физикалық принципті өз жұмысында қолданатын өнертабысты жасау үшін адамзатқа 2000 жылға жуық уақыт қажет болды. Бұл гидростатикалық тепе-теңдік. 1586 жылы Галилео ойлап тапқан. Бұл таразылар ұзақ уақыт бойы әртүрлі сұйықтар мен қатты заттардың тығыздығын дәл өлшеудің негізгі әдісі болды. Галилейдің гидростатикалық балансының фотосы төменде көрсетілген.

Кейіннен олардың әртүрлілігі пайда болды - Мор-Вестфал таразылары. Оларда екі бірдей рычагтың орнына тек біреуі ғана қолданылды, оған өлшенген жүктеме ілулі болды және тепе-теңдікті алу үшін белгілі массаның жүктері сырғанайды. Мор-Вестфал шкалалары төменде көрсетілген.

Қазіргі уақытта ғылыми зертханаларда гидростатикалық баланстар сирек кездеседі. Олардың орнына пикнометр немесе электронды таразы сияқты дәлірек және қолдануға оңай құралдар қойылды.

Галилей таразысының құрамдас бөліктері

Бұл құрылғының орталық көлденең осьтің айналасында еркін айнала алатын бірдей ұзындықтағы екі қолы бар. Әрбір рычагтың ұшынан шыныаяқ ілінеді. Ол белгілі массадағы салмақтарды ұстауға арналған. Тостағандардың түбінде ілмек бар. Оған әртүрлі жүктерді іліп қоюға болады.

Гидростатикалық таразыға салмақтардан басқа екі металл цилиндр кіреді. Олардың көлемі бірдей, тек біреуі толығымен металдан жасалған, ал екіншісі қуыс. Сондай-ақ шыны цилиндр кіреді.ол өлшеу кезінде сұйықтықпен толтырылады.

Қарастырылған құрал Архимед заңын көрсету және сұйықтар мен қатты заттардың тығыздығын анықтау үшін қолданылады.

Архимед заңын көрсету

Архимед сұйықтыққа батырылған дене оны ығыстыратынын және ығыстырылған сұйықтықтың салмағы денеге жоғары қарай әсер ететін қалқымалы күшке тура тең болатынын анықтады. Гидростатикалық тепе-теңдікті пайдаланып, бұл заңды қалай тексеруге болатынын көрсетеміз.

Құрылғының сол жақ тостағанына алдымен қуыс металл цилиндрді, содан кейін толық цилиндрді ілеміз. Құрылғыны теңестіру үшін таразының оң жағына салмақ қоямыз. Енді шыны цилиндрге су құйып, сол тостағанның толық металл салмағын толығымен суға батқандай етіп салайық. Дұрыс тостағанның салмағы артып, құрылғының тепе-теңдігі бұзылатынын байқауға болады.

Сосын суды қуыс жоғарғы цилиндрге тартамыз. Таразылар өз тепе-теңдігін қалай қалпына келтіретінін көрейік. Металл цилиндрлердің көлемдері тең болғандықтан, толық цилиндрмен ығыстырылған судың салмағы оны сұйықтықтан итеріп шығаратын күшке тең болады.

Төмендегі суретте сипатталған тәжірибе көрсетілген.

Қатты заттардың тығыздығын өлшеу

Бұл гидростатикалық таразылардың негізгі міндеттерінің бірі. Эксперимент келесі қадамдар түрінде орындалады:

• Дененің салмағы өлшенеді, оның тығыздығын табу керек. Ол үшін тостағандардың бірінің ілгегіне ілініп, екінші тостағанға тиісті массадағы салмақтар салынады. Нені тапқанымызды белгілейікжол жүк белгісінің салмағының мәні m_1.
• Өлшенген дене толығымен тазартылған су толтырылған шыны цилиндрге батырылады. Бұл позицияда дене қайтадан өлшенеді. Өлшенген масса m_{2 болды делік.}
• Қатты дененің ρ_{s тығыздық мәнін мына формула арқылы есептеңіз:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Мұнда ρ_l=1 г/см^{3 - тазартылған судың тығыздығы.}

Осылайша, қатты дененің тығыздығын анықтау үшін оның ауадағы және тығыздығы белгілі сұйықтықтағы салмағын өлшеу керек.

Сұйықтардың тығыздығын анықтау

Гидростатикалық таразылардың жұмысының негізі болып табылатын Архимед принципі қарастырылып отырған құрылғының көмегімен кез келген сұйықтықтың тығыздығын өлшеуге мүмкіндік береді. Мұның қалай жасалғанын сипаттап көрейік:

• Еркін жүктеме алынады. Бұл металл тұтас цилиндр немесе кез келген еркін пішіндегі кез келген басқа дене болуы мүмкін. Содан кейін жүк белгілі тығыздығы ρ_l1 сұйықтыққа батырылады және жүктің салмағы m_{1 өлшенеді.}
• Бірдей жүк ρ_l2 белгісіз тығыздығы бар сұйықтыққа толығымен батырылады. Бұл жағдайда оның массасының мәнін жазыңыз (m_2).
• Өлшенген мәндер формулаға ауыстырылады және сұйықтықтың тығыздығын анықтайды ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Бдистилденген су жиі белгілі тығыздығы бар сұйықтық ретінде пайдаланылады (ρ_l1=1 г/см^3).

Осылайша, Галилейдің гидростатикалық балансын заттар мен материалдардың тығыздығын анықтау үшін қолдану өте оңай. Олардың нәтижелерінің дәлдігі 1% шамасында.