Mizani ya Hydrostatic: historia ya uumbaji, vipengele, mbinu za matumizi

2024 Mwandishi: Aaron Duncan | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-01 20:18

Ili kubaini msongamano wa vimiminika na yabisi, unahitaji kujua uzito na ujazo wake. Ikiwa hakuna matatizo ya kupima wingi, basi thamani halisi ya kiasi cha mwili inaweza kupatikana ikiwa ina sura ya kawaida ya kijiometri inayojulikana, kwa mfano, sura ya prism au piramidi. Ikiwa mwili una sura ya kiholela, haiwezekani kuamua kwa usahihi kiasi chake kwa njia za kawaida za kijiometri. Hata hivyo, thamani ya msongamano wa kioevu au kigumu inaweza kupimwa kwa usahihi wa juu kwa kutumia salio la hidrostatic.

Usuli wa kihistoria

Mwanadamu amekuwa akivutiwa na suala la kupima ujazo na msongamano wa miili tangu zamani. Kulingana na uthibitisho wa kihistoria, tatizo lililotajwa lilitatuliwa kwa mafanikio kwa mara ya kwanza na Archimedes aliposhughulikia mgawo aliopewa wa kuamua ikiwa taji la dhahabu lilikuwa bandia.

Archimedesaliishi katika karne ya III KK. Baada ya ugunduzi wake, ilichukua wanadamu karibu miaka 2000 kuunda uvumbuzi unaotumia kanuni ya kimwili iliyoundwa na Wagiriki katika kazi yake. Hii ni usawa wa hydrostatic. Ilianzishwa na Galileo mnamo 1586. Mizani hii kwa muda mrefu imekuwa njia kuu ya kupima kwa usahihi wiani wa vinywaji mbalimbali na vitu vikali. Picha ya salio la Galileo la hydrostatic imeonyeshwa hapa chini.

Baadaye, aina zao zilionekana - mizani ya Mohr-Westphal. Ndani yao, badala ya levers mbili zinazofanana, moja tu ilitumiwa, ambayo mzigo uliopimwa ulisimamishwa, na pamoja na ambayo mizigo ya slid ya molekuli inayojulikana ili kupata usawa. Mizani ya Mohr-Westphal imeonyeshwa hapa chini.

Kwa sasa, salio la hidrostatic halionekani sana katika maabara za kisayansi. Nafasi yake imebadilishwa na ala sahihi zaidi na rahisi kutumia kama vile piknomita au mizani ya kielektroniki.

Vipengele vya mizani ya Galileo

Kifaa hiki kina mikono miwili ya urefu sawa ambayo inaweza kuzungushwa kwa urahisi kuzunguka mhimili wa kati mlalo. Kikombe kinasimamishwa kutoka mwisho wa kila lever. Imeundwa kushikilia uzani wa misa inayojulikana. Kuna ndoano chini ya vikombe. Unaweza kupachika mizigo tofauti kutoka kwayo.

Mbali na uzani, salio la hidrostatic linajumuisha mitungi miwili ya chuma. Wana kiasi sawa, moja tu yao hufanywa kabisa kwa chuma, na ya pili ni mashimo. Pia ni pamoja na silinda ya kioo.ambayo hujazwa kimiminika wakati wa vipimo.

Zana husika hutumika kuonyesha sheria ya Archimedes na kubainisha msongamano wa vimiminika na yabisi.

Maonyesho ya sheria ya Archimedes

Archimedes iligundua kuwa mwili uliotumbukizwa kwenye kioevu hutuhamisha, na uzito wa kioevu kilichohamishwa ni sawa kabisa na nguvu ya buoyant inayoenda juu juu ya mwili. Tutaonyesha jinsi, kwa kutumia salio la hydrostatic, sheria hii inaweza kuthibitishwa.

Kwenye bakuli la kushoto la kifaa kwanza tutatundika silinda ya chuma isiyo na mashimo, kisha kamili. Tunaweka uzito upande wa kulia wa mizani ili kusawazisha kifaa. Sasa hebu tujaze silinda ya kioo na maji na kuweka uzito kamili wa chuma wa bakuli la kushoto ndani yake ili iweze kabisa. Inaweza kuzingatiwa kuwa uzito wa bakuli la kulia utakuwa mkubwa zaidi, na usawa wa kifaa utasumbuliwa.

Kisha tunachota maji kwenye silinda ya juu yenye shimo. Wacha tuangalie jinsi mizani inarudisha usawa wao tena. Kwa kuwa ujazo wa mitungi ya chuma ni sawa, inabadilika kuwa uzito wa maji yaliyohamishwa na silinda kamili itakuwa sawa na nguvu ya kuisukuma nje ya kioevu.

Picha iliyo hapa chini inaonyesha tukio lililoelezwa.

Kipimo cha msongamano wa yabisi

Hii ni mojawapo ya kazi kuu za mizani ya kupimia haidrostatic. Jaribio linafanywa kwa njia ya hatua zifuatazo:

• Uzito wa mwili hupimwa, msongamano ambao unapaswa kupatikana. Kwa kufanya hivyo, imesimamishwa kwenye ndoano ya moja ya bakuli, na uzito wa molekuli sahihi huwekwa kwenye bakuli la pili. Wacha tuonyeshe kile tulichopatanjia ya thamani ya uzito wa ishara ya mzigo m_1.
• Mwili uliopimwa hutumbukizwa kabisa kwenye silinda ya glasi iliyojaa maji yaliyochujwa. Katika nafasi hii, mwili hupimwa tena. Tuseme uzito uliopimwa ulikuwa m_2.
• Hesabu thamani ya msongamano ρ_{s ya kigumu kwa kutumia fomula ifuatayo:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Hapa ρ_l=1 g/cm^{3 ni msongamano wa maji yaliyotiwa mafuta.}

Hivyo, ili kubainisha msongamano wa mwili dhabiti, ni muhimu kupima uzito wake hewani na katika kioevu ambacho msongamano wake unajulikana.

Kubainisha msongamano wa vimiminika

Kanuni ya Archimedes, ambayo ndiyo msingi wa utendakazi wa mizani ya hidrostatic, hukuruhusu kupima msongamano wa kioevu chochote kwa kutumia kifaa husika. Hebu tueleze jinsi inavyofanywa:

• Mzigo kiholela umechukuliwa. Inaweza kuwa silinda imara ya chuma au mwili mwingine wowote wa sura ya kiholela. Kisha, mzigo huwekwa kwenye kioevu na msongamano unaojulikana ρ_l1 na uzito wa mzigo hupimwa m_1..
• Mzigo ule ule umetumbukizwa kabisa kwenye kioevu chenye msongamano usiojulikana ρ_l2. Andika thamani ya wingi wake katika kesi hii (m_2).
• Thamani zilizopimwa huwekwa badala ya fomula na kubainisha msongamano wa kioevu ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bmaji yaliyosafishwa mara nyingi hutumiwa kama kioevu chenye msongamano unaojulikana (ρ_l1=1 g/cm^3).).

Kwa hivyo, usawa wa hydrostatic wa Galileo ni rahisi sana kutumia ili kubainisha msongamano wa dutu na nyenzo. Usahihi wa matokeo yao ni ndani ya 1%.