Понятие плотности и прочности часто употребляются в физике и механике. Используют их в описании других явлений и процессов, например, плотность население, прочность семейных уз, плотность ключевых слов и т.д.
О понятии плотности
Плотностью обычно называют массу единицы объема какого-либо вещества. Ранее это называлось удельным весом. Она обычно выражается одним определенным числом. Ее определяют в виде отношения массы к занимаемому ей объему. Плотность обычно обозначается греческой буквой ρ (ро) и выводится по формуле ρ=m/V. Здесь m означает массу, а V объем вещества. Измеряют ее в килограммах на кубический метр или граммах на кубический сантиметр. Измеряться может плотность вещества в целом, плотность конкретного объекта или этот показатель в его малой части.
При измерении этого показателя у тел с порами или сыпучих, используют понятия истинной и удельной. Первая нужна при игнорировании полостей. Удельная рассчитывается как соотношение массы тела к занимаемой им кубатуре. Для получения из удельной истинной плотности пользуются коэффициентом, с помощью которого вычисляется из общего объема часть, занимаемая пустотами. Такой показатель для материалов, которые называют сыпучими, называется насыпной плотностью. Она может изменяться в зависимости от того, в каком состоянии и при какой температуре находится вещество.
Обычно уменьшение температуры приводит к ее росту. Однако, есть исключения. К примеру, у воды она самая большая, когда ее температура достигает четырех градусов по Цельсию. Может отклоняться в любую сторону при изменении этой температуры. Считается, что при охлаждении вещества оно становится плотнее. Так происходит при сжижении газа, превращении его в жидкость и дальнейшем затвердевании. В то же время, когда затвердевает кремний или висмут, они становятся менее плотными. Такие явления по-разному происходят у различных природных объектов. Учеными подсчитано, что наименьшую плотность имеют межгалактическое и межзвездное пространства.
Самый легкий газ водород в нормальных условиях обладает плотностью почти в полтора раза меньшей, чем сухой воздух. У полностью вдохнувшего воздух человека плотность в пределах 940-990 кг/м3, а у выдохнувшего его этот показатель составляет 1010-1070. Пресная вода температурой в + 4 градуса имеет 1000 кг/м3. У Солнца этот показатель наполовину больше. В широких пределах меняется плотность элементов таблицы Менделеева. У самого легкого металла лития она меньше, чем у воды. А у осмия она значительно больше, чем у платины и золота. Железо обладает плотностью в 7874 кг/м3.
Измеряют плотность различными приборами. Истинную плотность определяют с помощью пикнометра.
Пикнометры
Для жидкостей применяют ареометры различных видов. Плотность почвы измеряют с помощью специальных небольших буров. Вибрационным плотнометром измеряют этот параметр у находящихся под давлением газов и жидкостей.
Ареометры
Что такое прочность
Прочностью в физическом смысле называют свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Это происходит в результате воздействия на него извне и появлением напряжений изнутри. Прочной именуют конструкцию или деталь, которая сохраняет свои прочностные характеристики продолжительное время. Для того, чтобы определить, насколько прочен конкретный материал или конструкция, деталь, производятся специальные расчеты. Основными их видами являются выявление предельных напряжений или статической прочности под влиянием постоянных нагрузок и расчет усталостной нагрузки под воздействием циклических нагрузок. Существует понятие общей прочности, которое означает устойчивость к разрушению целой конструкции.
Такой метод широко применяется про проектировании летательных аппаратов. Более распространенным способом является местная прочность, которую используют для определения прочностных параметров отдельных деталей, механизмов и узлов. Современные прочностные расчеты требуют использования современных компьютерных технологий. Используются преимущественно сеточные методы, с помощью которых решаются задачи теоретической физики. Универсальным считается метод конечных элементов.
Нарушение прочности может приводить к различным видам разрушений. Они могут иметь хрупкий или вязкий характер. При первом поверхность надламливается. При втором натягивается (вяжется). У наиболее прочных материалов пластичность и вязкость минимальна. На прочность может влиять и температура среды. Так, материалы, относящиеся к среднепрочным и низкопрочным с понижением температуры могут становиться прочнее. Низкая температура позволяет проводить прочностные испытания на маленьких образцах.
Проблемы прочности изучает инженерная наука, называемая сопротивлением материалов, а также физика, математическая, теория упругости, материаловедение и теоретическая механика. Создание эффективно и надежно работающей техники невозможно без знания основ этих дисциплин и их применения при расчетах. Многочисленные методы исследования прочности в комплексе дают возможность относительно точно вычислить напряжения в материалах.
В чем разница
Плотность и прочность часто взаимосвязаны и нужны для определения характеристик различных материалов. Однако они имеют принципиальные различия.
- Плотностью обозначают соотношение массы к объему тела. Прочность характеризует, какое напряжение оно может выдержать.
- Плотность измеряется показателем массы на единицу объема. Прочность показывает давление в мегапаскалях
- Плотность является стабильным показателем и определяется только своим значением. Прочность же может иметь несколько видов (на разрыв, истирание, сжатие и пр.).
- Обычно, чем ниже плотность, тем меньше прочность. При неизменной плотности прочностные параметры материала могут менять путем добавления к нему различных компонентов.
- Плотность – показатель для вещества в любом агрегатном состоянии. Прочность применима только к твердым телам.
- Плотность показатель вещества, установленный изначально. Прочность меняется под действием нагрузок
