Hüdrostaatilised kaalud: loomise ajalugu, komponendid, kasutusviisid

2024 Autor: Aaron Duncan | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-01 20:06

Vedelike ja tahkete ainete tiheduse määramiseks peate teadma nende massi ja mahtu. Kui massi mõõtmisega probleeme pole, siis keha ruumala täpse väärtuse saab teada, kui sellel on teadaolev korrapärane geomeetriline kuju, näiteks prisma või püramiidi kuju. Kui kehal on suvaline kuju, on selle mahtu võimatu standardsete geomeetriliste vahenditega täpselt määrata. Vedeliku või tahke aine tiheduse väärtust saab aga suure täpsusega mõõta hüdrostaatilise kaalu abil.

Ajalooline taust

Kehade mahu ja tiheduse mõõtmise teema on inimkonda huvitanud juba iidsetest aegadest. Säilinud ajalooliste tõendite kohaselt lahendas märgitud probleemi esmakordselt eduk alt Archimedes, kui ta tuli toime talle antud ülesandega kindlaks teha, kas kuldne kroon on võlts.

Archimedeselas III sajandil eKr. Pärast selle avastamist kulus inimkonnal peaaegu 2000 aastat, et luua leiutis, mis kasutab oma töös kreeklase sõnastatud füüsikalist põhimõtet. See on hüdrostaatiline tasakaal. Leiutas Galileo 1586. aastal. Need kaalud on pikka aega olnud peamine viis erinevate vedelike ja tahkete ainete tiheduse täpseks mõõtmiseks. Allpool on näidatud foto Galileo hüdrostaatilisest tasakaalust.

Seejärel ilmus nende mitmekesisus – Mohri-Westphali soomused. Nendes kasutati kahe identse hoova asemel ainult ühte, millele mõõdetud koormus riputati ja mida mööda libisesid tasakaalu saavutamiseks teadaoleva massiga koormused. Mohr-Westphali skaala on näidatud allpool.

Praegu nähakse teaduslaborites hüdrostaatilisi balansse harva. Need on asendatud täpsemate ja hõlpsamini kasutatavate instrumentidega, nagu püknomeeter või elektroonilised kaalud.

Galileo skaala komponendid

Sellel seadmel on kaks ühepikkust kätt, mis võivad vab alt pöörata ümber keskse horisonta altelje. Iga kangi otsa riputatakse tass. See on ette nähtud teadaoleva massiga raskuste hoidmiseks. Tasside põhjas on konks. Selle külge saate riputada erinevaid koormaid.

Lisaks raskustele on hüdrostaatilises kaalus kaks metallsilindrit. Neil on sama maht, ainult üks neist on täielikult metallist ja teine on õõnes. Kaasas ka klaassilinder.mis täidetakse mõõtmise ajal vedelikuga.

Seda instrumenti kasutatakse Archimedese seaduse demonstreerimiseks ning vedelike ja tahkete ainete tiheduse määramiseks.

Arhimedese seaduse demonstreerimine

Archimedes tegi kindlaks, et vedelikku sukeldatud keha tõrjub selle välja ja tõrjutud vedeliku kaal on täpselt võrdne kehale ülespoole mõjuva üleslükkejõuga. Näitame, kuidas hüdrostaatilist tasakaalu kasutades saab seda seadust kontrollida.

Seadme vasakpoolsesse kaussi riputame esm alt õõnsa metallsilindri ja seejärel täis. Seadme tasakaalustamiseks panime kaalu paremale küljele raskused. Nüüd täidame klaassilindri veega ja asetame sellesse vasakpoolse kausi metallist täisraskusega nii, et see oleks täielikult vee all. Võib täheldada, et õige kausi kaal on suurem ja seadme tasakaal on häiritud.

Seejärel tõmbame vett õõnsasse ülemisse silindrisse. Vaatame, kuidas kaalud taastavad tasakaalu. Kuna metallsilindrite mahud on võrdsed, selgub, et täissilindri poolt väljatõrjutud vee kaal on võrdne jõuga, mis seda vedelikust välja surub.

Allpool olev pilt illustreerib kirjeldatud kogemust.

Tahkeainete tiheduse mõõtmine

See on hüdrostaatiliste kaalude üks peamisi ülesandeid. Katse viiakse läbi järgmiste sammudena:

• Mõõdetakse keha kaal, mille tihedus tuleks leida. Selleks riputatakse see ühe kausi konksu külge ja teisele kausile asetatakse vastava massiga raskused. Märgistame, mida me leidsimeviisil koorma sümboli m_1.
• Mõõdetud keha on täielikult sukeldatud destilleeritud veega täidetud klaassilindrisse. Selles asendis kaalutakse keha uuesti. Oletame, et mõõdetud mass on m_2.
• Arvutage tahke aine tiheduse väärtus ρ_{s järgmise valemi abil:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Siin ρ_l=1 g/cm^{3 on destilleeritud vee tihedus.}

Seega, tahke keha tiheduse määramiseks on vaja mõõta selle massi õhus ja vedelikus, mille tihedus on teada.

Vedelike tiheduse määramine

Arhimedese põhimõte, mis on hüdrostaatiliste kaalude töö aluseks, võimaldab mõõta mis tahes vedeliku tihedust, kasutades kõnealust seadet. Kirjeldame, kuidas seda tehakse:

• Võetakse suvaline koormus. See võib olla metallist tahke silinder või mis tahes muu suvalise kujuga keha. Seejärel kastetakse koorem teadaoleva tihedusega ρ_l1 vedelikku ja mõõdetakse koorma kaal m_1.
• Sama koorem on täielikult sukeldatud vedelikku, mille tihedus on teadmata ρ_l2. Sel juhul kirjutage üles selle massi väärtus (m_2).
• Mõõdetud väärtused asendatakse valemis ja määravad vedeliku tiheduse ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bdestilleeritud vett kasutatakse sageli teadaoleva tihedusega vedelikuna (ρ_l1=1 g/cm^3).

Seega on Galileo hüdrostaatilist tasakaalu üsna lihtne kasutada ainete ja materjalide tiheduse määramiseks. Nende tulemuste täpsus on 1%.