სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიმკვრივის დასადგენად, თქვენ უნდა იცოდეთ მათი მასა და მოცულობა. თუ მასის გაზომვასთან დაკავშირებით პრობლემები არ არის, მაშინ სხეულის მოცულობის ზუსტი მნიშვნელობა შეიძლება მოიძებნოს, თუ მას აქვს ცნობილი რეგულარული გეომეტრიული ფორმა, მაგალითად, პრიზმის ან პირამიდის ფორმა. თუ სხეულს აქვს თვითნებური ფორმა, შეუძლებელია მისი მოცულობის ზუსტად განსაზღვრა სტანდარტული გეომეტრიული საშუალებებით. თუმცა, თხევადი ან მყარი სიმკვრივის მნიშვნელობა შეიძლება გაიზომოს მაღალი სიზუსტით ჰიდროსტატიკური ბალანსის გამოყენებით.
ისტორიული ფონი
კაცობრიობა უძველესი დროიდან იყო დაინტერესებული სხეულების მოცულობისა და სიმკვრივის გაზომვის საკითხით. შემორჩენილი ისტორიული მტკიცებულებების თანახმად, აღნიშნული პრობლემა პირველად წარმატებით გადაჭრა არქიმედესმა, როდესაც მან გაართვა თავი დავალებას, რათა დაედგინა, იყო თუ არა ოქროს გვირგვინი ყალბი.
არქიმედესცხოვრობდა ძვ.წ III საუკუნეში. მისი აღმოჩენის შემდეგ, კაცობრიობას თითქმის 2000 წელი დასჭირდა გამოგონების შესაქმნელად, რომელიც იყენებს ბერძნების მიერ ჩამოყალიბებულ ფიზიკურ პრინციპს თავის მუშაობაში. ეს არის ჰიდროსტატიკური ბალანსი. გამოიგონა გალილეომ 1586 წელს. ეს ნაშთები დიდი ხანია იყო ძირითადი გზა სხვადასხვა სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიმკვრივის ზუსტად გასაზომად. გალილეოს ჰიდროსტატიკური ბალანსის ფოტო ნაჩვენებია ქვემოთ.
შემდეგ გაჩნდა მათი ჯიში - მოჰრ-ვესტფალის სასწორები. მათში ორი იდენტური ბერკეტის ნაცვლად გამოიყენებოდა მხოლოდ ერთი, რომელზედაც გაზომილი დატვირთვა იყო შეჩერებული და რომლის გასწვრივ ცურავდა ცნობილი მასის ტვირთები წონასწორობის მისაღებად. მოჰრ-ვესტფალის სკალები ნაჩვენებია ქვემოთ.
დღესდღეობით ჰიდროსტატიკური ნაშთები იშვიათად გვხვდება სამეცნიერო ლაბორატორიებში. ისინი შეიცვალა უფრო ზუსტი და ადვილად გამოსაყენებელი ინსტრუმენტებით, როგორიცაა პიკნომეტრი ან ელექტრონული სასწორი.
გალილეოს სასწორის კომპონენტები
ამ მოწყობილობას აქვს ერთი და იგივე სიგრძის ორი ხელი, რომელსაც შეუძლია თავისუფლად ბრუნოს ცენტრალური ჰორიზონტალური ღერძის გარშემო. თითოეული ბერკეტის ბოლოდან ჩამოკიდებულია ჭიქა. იგი შექმნილია ცნობილი მასის წონის შესანარჩუნებლად. ჭიქების ბოლოში არის კაკალი. თქვენ შეგიძლიათ ჩამოკიდოთ სხვადასხვა დატვირთვები.
წონების გარდა, ჰიდროსტატიკური ბალანსი მოიცავს ორ მეტალის ცილინდრს. მათ აქვთ იგივე მოცულობა, მხოლოდ ერთი მათგანი მთლიანად ლითონისაა, ხოლო მეორე არის ღრუ. ასევე მოყვება მინის ცილინდრი.რომელიც გაზომვების დროს ივსება სითხით.
აღნიშნული ინსტრუმენტი გამოიყენება არქიმედეს კანონის საჩვენებლად და სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიმკვრივის დასადგენად.
არქიმედეს კანონის დემონსტრირება
არქიმედესმა დაადგინა, რომ სითხეში ჩაძირული სხეული ანაცვლებს მას და გადაადგილებული სითხის წონა ზუსტად უდრის სხეულზე ზევით მოქმედ მაძლიერებელ ძალას. ჩვენ გაჩვენებთ, თუ როგორ შეიძლება ამ კანონის შემოწმება ჰიდროსტატიკური ბალანსის გამოყენებით.
მოწყობილობის მარცხენა თასზე ჯერ დავკიდებთ ლითონის ღრუ ცილინდრის, შემდეგ კი სავსეს. ხელსაწყოს დასაბალანსებლად სასწორის მარჯვენა მხარეს ვაყენებთ წონებს. ახლა ავავსოთ შუშის ცილინდრი წყლით და ჩავდოთ მასში მარცხენა თასის მთლიანი ლითონის წონა ისე, რომ იგი მთლიანად ჩაიძიროს. შეიძლება აღინიშნოს, რომ მარჯვენა თასის წონა უფრო დიდი იქნება და მოწყობილობის წონასწორობა ირღვევა.
შემდეგ წყალს ჩავსვამთ ღრუ ზედა ცილინდრში. ვნახოთ, როგორ აღადგენს სასწორი წონასწორობას. ვინაიდან ლითონის ცილინდრების მოცულობები ტოლია, გამოდის, რომ სავსე ცილინდრით გადაადგილებული წყლის წონა ტოლი იქნება სითხიდან გამოდევნის ძალას.
ქვემოთ მოცემული სურათი ასახავს აღწერილ გამოცდილებას.
მყარი ნივთიერებების სიმკვრივის გაზომვა
ეს არის ჰიდროსტატიკური სასწორის ერთ-ერთი მთავარი ამოცანა. ექსპერიმენტი ტარდება შემდეგი ნაბიჯების სახით:
- იზომება სხეულის წონა, რომლის სიმკვრივე უნდა მოიძებნოს. ამისათვის მას აკიდებენ ერთ-ერთი თასის კაუჭიდან, ხოლო მეორე თასზე ათავსებენ შესაბამისი მასის წონებს. მოდი აღვნიშნოთ ის, რაც აღმოვაჩინეთდატვირთვის სიმბოლოს წონის მნიშვნელობა m1.
- გაზომილი სხეული მთლიანად ჩაეფლო გამოხდილი წყლით სავსე მინის ცილინდრში. ამ პოზაში სხეული კვლავ იწონება. დავუშვათ, გაზომილი მასა იყო m2.
- გამოთვალეთ მყარი ნივთიერების სიმკვრივის მნიშვნელობა ρs შემდეგი ფორმულის გამოყენებით:
ρs=ρlმ1/(მ 1- მ2)
აქ ρl=1 გ/სმ3 არის გამოხდილი წყლის სიმკვრივე.
ამგვარად, მყარი სხეულის სიმკვრივის დასადგენად, აუცილებელია მისი წონის გაზომვა ჰაერში და სითხეში, რომლის სიმკვრივე ცნობილია.
სითხეების სიმკვრივის განსაზღვრა
არქიმედეს პრინციპი, რომელიც ჰიდროსტატიკური ნაშთების მუშაობის საფუძველია, საშუალებას გაძლევთ გაზომოთ ნებისმიერი სითხის სიმკვრივე მოცემული მოწყობილობის გამოყენებით. მოდით აღვწეროთ როგორ კეთდება ეს:
- მიღებულია თვითნებური დატვირთვა. ეს შეიძლება იყოს ლითონის მყარი ცილინდრი ან ნებისმიერი სხვა თვითნებური ფორმის სხეული. შემდეგ, დატვირთვა ჩაეფლო სითხეში ცნობილი სიმკვრივის ρl1 და ტვირთის წონა იზომება m1..
- იგივე დატვირთვა მთლიანად ჩაეფლო უცნობი სიმკვრივის სითხეში ρl2. ჩაწერეთ მისი მასის მნიშვნელობა ამ შემთხვევაში (m2).
- გაზომილი მნიშვნელობები ჩანაცვლებულია ფორმულაში და განსაზღვრავს სითხის სიმკვრივეს ρl2:
ρl2=ρl1მ2/მ 1
Bგამოხდილ წყალს ხშირად იყენებენ, როგორც სითხეს ცნობილი სიმკვრივით (ρl1=1 გ/სმ3)..
ამგვარად, გალილეოს ჰიდროსტატიკური ბალანსი საკმაოდ მარტივი გამოსაყენებელია ნივთიერებებისა და მასალების სიმკვრივის დასადგენად. მათი შედეგების სიზუსტე 1%-ის ფარგლებშია.
