Bilanci hidrostatik: historia e krijimit, përbërësit, metodat e përdorimit

2024 Autor: Aaron Duncan | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-01 20:17

Për të përcaktuar densitetin e lëngjeve dhe trupave të ngurtë, duhet të dini masën dhe vëllimin e tyre. Nëse nuk ka probleme me matjen e masës, atëherë vlera e saktë e vëllimit të trupit mund të gjendet nëse ka një formë të njohur gjeometrike të rregullt, për shembull, formën e një prizmi ose piramide. Nëse trupi ka një formë arbitrare, është e pamundur të përcaktohet me saktësi vëllimi i tij me mjete standarde gjeometrike. Megjithatë, vlera e densitetit të një lëngu ose të ngurtë mund të matet me saktësi të lartë duke përdorur një bilanc hidrostatik.

Sfondi historik

Njerëzimi ka qenë i interesuar për çështjen e matjes së vëllimit dhe densitetit të trupave që nga kohërat e lashta. Sipas dëshmive historike të mbijetuara, problemi i përmendur u zgjidh fillimisht me sukses nga Arkimedi kur ai u përball me detyrën që i ishte dhënë për të përcaktuar nëse kurora e artë ishte e rreme.

Arkimedijetoi në shekullin III para Krishtit. Pas zbulimit të tij, njerëzimit iu deshën gati 2000 vjet për të krijuar një shpikje që përdor parimin fizik të formuluar nga greku në punën e tij. Ky është një bilanc hidrostatik. Shpikur nga Galileo në 1586. Këto ekuilibra kanë qenë prej kohësh mënyra kryesore për të matur me saktësi densitetin e lëngjeve dhe të ngurtëve të ndryshëm. Një foto e bilancit hidrostatik të Galileos është paraqitur më poshtë.

Më pas, u shfaq shumëllojshmëria e tyre - peshore Mohr-Westphal. Në to, në vend të dy levave identike, u përdor vetëm një, mbi të cilën ishte pezulluar ngarkesa e matur dhe përgjatë së cilës rrëshqiteshin ngarkesa të një mase të njohur për të marrë ekuilibrin. Shkallët Mohr-Westfal tregohen më poshtë.

Për momentin, balancat hidrostatike shihen rrallë në laboratorët shkencorë. Ato janë zëvendësuar nga instrumente më të sakta dhe më të lehta për t'u përdorur si piknometri ose peshore elektronike.

Përbërësit e peshores së Galileos

Kjo pajisje ka dy krahë me të njëjtën gjatësi që mund të rrotullohen lirshëm rreth një boshti qendror horizontal. Një filxhan është pezulluar nga fundi i secilës levë. Është projektuar për të mbajtur pesha me masë të njohur. Ka një goditje në fund të kupave. Mund të varni ngarkesa të ndryshme prej tij.

Përveç peshave, bilanci hidrostatik përfshin dy cilindra metalikë. Ata kanë të njëjtin vëllim, vetëm njëri prej tyre është bërë tërësisht prej metali, dhe i dyti është i zbrazët. Përfshihet gjithashtu një cilindër xhami.e cila mbushet me lëng gjatë matjeve.

Instrumenti në fjalë përdoret për të demonstruar ligjin e Arkimedit dhe për të përcaktuar dendësinë e lëngjeve dhe trupave të ngurtë.

Demonstrimi i ligjit të Arkimedit

Arkimedi vërtetoi se një trup i zhytur në një lëng e zhvendos atë dhe pesha e lëngut të zhvendosur është saktësisht e barabartë me forcën lëvizëse që vepron lart mbi trup. Ne do të tregojmë se si, duke përdorur një bilanc hidrostatik, mund të verifikohet ky ligj.

Në tasin e majtë të pajisjes fillimisht do të varim një cilindër metalik të zbrazët dhe më pas një të plotë. Ne vendosim pesha në anën e djathtë të peshores për të balancuar pajisjen. Tani le të mbushim cilindrin e qelqit me ujë dhe të vendosim peshën e plotë metalike të tasit të majtë në të në mënyrë që të zhytet plotësisht. Mund të vërehet se pesha e tasit të duhur do të jetë më e madhe dhe ekuilibri i pajisjes do të prishet.

Më pas nxjerrim ujë në cilindrin e sipërm të zgavër. Le të shikojmë se si peshorja rikthen sërish ekuilibrin. Meqenëse vëllimet e cilindrave metalikë janë të barabartë, rezulton se pesha e ujit të zhvendosur nga një cilindër i plotë do të jetë e barabartë me forcën që e shtyn atë nga lëngu.

Figura më poshtë ilustron përvojën e përshkruar.

Matja e dendësisë së trupave të ngurtë

Kjo është një nga detyrat kryesore të peshores hidrostatike. Eksperimenti kryhet në formën e hapave të mëposhtëm:

• Matet pesha e trupit, dendësia e të cilit duhet gjetur. Për ta bërë këtë, ajo pezullohet nga grepi i njërit prej tasave dhe pesha e masës së duhur vendoset në tasin e dytë. Le të tregojmë atë që gjetëmmënyra e vlerës së peshës së simbolit të ngarkesës m_1.
• Trupi i matur është zhytur plotësisht në një cilindër qelqi të mbushur me ujë të distiluar. Në këtë pozicion, trupi peshohet përsëri. Supozoni se masa e matur ishte m_2.
• Llogaritni vlerën e densitetit ρ_{s të një trupi të ngurtë duke përdorur formulën e mëposhtme:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Këtu ρ_l=1 g/cm^{3 është dendësia e ujit të distiluar.}

Kështu, për të përcaktuar dendësinë e një trupi të ngurtë, është e nevojshme të matet pesha e tij në ajër dhe në një lëng, dendësia e të cilit dihet.

Përcaktimi i densitetit të lëngjeve

Parimi i Arkimedit, i cili është baza për funksionimin e balancave hidrostatike, ju lejon të matni densitetin e çdo lëngu duke përdorur pajisjen në fjalë. Le të përshkruajmë se si është bërë:

• Meret një ngarkesë arbitrare. Mund të jetë një cilindër metalik i ngurtë ose ndonjë trup tjetër me formë arbitrare. Më pas, ngarkesa zhytet në një lëng me një densitet të njohur ρ_l1 dhe pesha e ngarkesës matet m_1.
• E njëjta ngarkesë është zhytur plotësisht në një lëng me një densitet të panjohur ρ_l2. Shkruani vlerën e masës së saj në këtë rast (m_2).
• Vlerat e matura zëvendësohen në formulë dhe përcaktojnë densitetin e lëngut ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Buji i distiluar përdoret shpesh si një lëng me një densitet të njohur (ρ_l1=1 g/cm^3).

Kështu, bilanci hidrostatik i Galileos është mjaft i lehtë për t'u përdorur për të përcaktuar densitetin e substancave dhe materialeve. Saktësia e rezultateve të tyre është brenda 1%.