Lai noteiktu šķidrumu un cietvielu blīvumu, jāzina to masa un tilpums. Ja ar masas mērīšanu nav problēmu, tad precīzu ķermeņa tilpuma vērtību var uzzināt, ja tam ir zināma regulāra ģeometriskā forma, piemēram, prizmas vai piramīdas forma. Ja ķermenim ir patvaļīga forma, tā tilpumu nav iespējams precīzi noteikt ar standarta ģeometriskiem līdzekļiem. Tomēr šķidruma vai cietas vielas blīvuma vērtību var izmērīt ar augstu precizitāti, izmantojot hidrostatisko svaru.
Vēstures fons
Jautājums par ķermeņu tilpuma un blīvuma mērīšanu cilvēci interesējis kopš seniem laikiem. Saskaņā ar saglabājušajām vēstures liecībām minēto problēmu vispirms veiksmīgi atrisināja Arhimēds, kad viņš tika galā ar viņam doto uzdevumu noteikt, vai zelta kronis ir viltots.
Arhimēdsdzīvoja III gadsimtā pirms mūsu ēras. Pēc tā atklāšanas cilvēcei bija vajadzīgi gandrīz 2000 gadi, lai radītu izgudrojumu, kas savā darbā izmanto grieķu formulēto fizisko principu. Tas ir hidrostatiskais līdzsvars. Izgudroja Galileo 1586. gadā. Šie svari jau sen ir galvenais veids, kā precīzi izmērīt dažādu šķidrumu un cietvielu blīvumu. Tālāk ir parādīts Galileo hidrostatiskā līdzsvara fotoattēls.
Pēc tam parādījās to dažādība - Mohr-Westphal svari. Tajās divu identisku sviru vietā tika izmantota tikai viena, uz kuras tika piekārta izmērītā slodze un pa kuru slīdēja zināmas masas slodzes, lai iegūtu līdzsvaru. Mohr-Westphal skalas ir parādītas zemāk.
Pašlaik zinātniskajās laboratorijās reti sastopami hidrostatiskie balansi. Tie ir aizstāti ar precīzākiem un vienkāršākiem instrumentiem, piemēram, piknometru vai elektroniskajiem svariem.
Galileo svaru sastāvdaļas
Šai ierīcei ir divas vienāda garuma sviras, kas var brīvi griezties ap centrālo horizontālo asi. Katras sviras galā ir piekārts krūze. Tas ir paredzēts zināmas masas svara noturēšanai. Krūzīšu apakšā ir āķis. No tā varat pakārt dažādas kravas.
Papildus atsvariem hidrostatiskajā svarā ir iekļauti divi metāla cilindri. Viņiem ir vienāds tilpums, tikai viens no tiem ir pilnībā izgatavots no metāla, bet otrs ir dobs. Iekļauts arī stikla cilindrs.kas mērījumu laikā ir piepildīts ar šķidrumu.
Attiecīgais instruments tiek izmantots, lai demonstrētu Arhimēda likumu un noteiktu šķidrumu un cietvielu blīvumu.
Arhimēda likuma demonstrēšana
Arhimēds konstatēja, ka šķidrumā iegremdēts ķermenis to izspiež, un izspiestā šķidruma svars ir tieši vienāds ar peldošo spēku, kas uz ķermeni iedarbojas uz augšu. Mēs parādīsim, kā, izmantojot hidrostatisko svaru, var pārbaudīt šo likumu.
Ierīces kreisajā bļodā vispirms uzkarināsim dobu metāla cilindru un pēc tam pilnu. Svaru labajā pusē uzliekam atsvarus, lai līdzsvarotu ierīci. Tagad piepildīsim stikla cilindru ar ūdeni un ievietojiet tajā visu kreisās bļodas metāla svaru tā, lai tas būtu pilnībā iegremdēts. Var novērot, ka labās bļodas svars būs lielāks, un tiks izjaukts ierīces līdzsvars.
Tad mēs ievelkam ūdeni dobajā augšējā cilindrā. Skatīsimies, kā svari atkal atjauno līdzsvaru. Tā kā metāla cilindru tilpumi ir vienādi, izrādās, ka pilna cilindra izspiestā ūdens svars būs vienāds ar spēku, kas to izspiež no šķidruma.
Tālāk redzamais attēls ilustrē aprakstīto pieredzi.
Cietvielu blīvuma mērīšana
Šis ir viens no galvenajiem hidrostatisko svaru uzdevumiem. Eksperiments tiek veikts, veicot šādas darbības:
- Tiek mērīts ķermeņa svars, kura blīvums būtu jāatrod. Lai to izdarītu, tas tiek piekārts uz vienas bļodas āķa, bet uz otras bļodas tiek novietoti attiecīgās masas atsvari. Apzīmēsim to, ko atradāmveids kravas simbola svara vērtība m1.
- Izmērītais korpuss ir pilnībā iegremdēts stikla cilindrā, kas piepildīts ar destilētu ūdeni. Šajā stāvoklī ķermenis atkal tiek nosvērts. Pieņemsim, ka izmērītā masa bija m2.
- Aprēķiniet cietās vielas blīvuma vērtību ρs, izmantojot šādu formulu:
ρs=ρlm1/(m 1- m2)
Šeit ρl=1 g/cm3 ir destilētā ūdens blīvums.
Tādējādi, lai noteiktu cieta ķermeņa blīvumu, ir nepieciešams izmērīt tā svaru gaisā un šķidrumā, kura blīvums ir zināms.
Šķidrumu blīvuma noteikšana
Arhimēda princips, kas ir hidrostatisko svaru darbības pamatā, ļauj izmērīt jebkura šķidruma blīvumu, izmantojot attiecīgo ierīci. Aprakstīsim, kā tas tiek darīts:
- Tiek uzņemta patvaļīga slodze. Tas var būt ciets metāla cilindrs vai jebkurš cits patvaļīgas formas korpuss. Pēc tam kravu iegremdē šķidrumā ar zināmu blīvumu ρl1 un izmēra kravas svaru m1.
- Tā pati krava ir pilnībā iegremdēta šķidrumā ar nezināmu blīvumu ρl2. Pierakstiet tā masas vērtību šajā gadījumā (m2).
- Izmērītās vērtības tiek aizvietotas formulā un nosaka šķidruma blīvumu ρl2:
ρl2=ρl1m2/m 1
Bdestilētu ūdeni bieži izmanto kā šķidrumu ar zināmu blīvumu (ρl1=1 g/cm3).
Tādējādi Galileo hidrostatisko līdzsvaru ir diezgan viegli izmantot, lai noteiktu vielu un materiālu blīvumu. To rezultātu precizitāte ir 1% robežās.
