Para determinar a densidade de líquidos e sólidos, você precisa saber sua massa e volume. Se não houver problemas com a medição da massa, o valor exato do volume do corpo pode ser encontrado se ele tiver uma forma geométrica regular conhecida, por exemplo, a forma de um prisma ou pirâmide. Se o corpo tiver uma forma arbitrária, é impossível determinar com precisão seu volume por meios geométricos padrão. No entanto, o valor da densidade de um líquido ou sólido pode ser medido com alta precisão usando uma balança hidrostática.
Histórico
A humanidade tem se interessado pela questão de medir o volume e a densidade dos corpos desde os tempos antigos. De acordo com evidências históricas sobreviventes, o problema observado foi resolvido com sucesso por Arquimedes quando ele lidou com a tarefa que lhe foi dada para determinar se a coroa de ouro era falsa.
Arquimedesviveu no século III aC. Após sua descoberta, a humanidade levou quase 2.000 anos para criar uma invenção que utiliza o princípio físico formulado pelo grego em sua obra. Este é um equilíbrio hidrostático. Inventado por Galileu em 1586. Esses balanços têm sido a principal maneira de medir com precisão a densidade de vários líquidos e sólidos. Uma foto do equilíbrio hidrostático do Galileo é mostrada abaixo.
Subseqüentemente, sua variedade apareceu - escalas Mohr-Westphal. Neles, em vez de duas alavancas idênticas, apenas uma era usada, na qual a carga medida era suspensa e ao longo da qual deslizavam cargas de massa conhecida para obter equilíbrio. As escalas de Mohr-Westphal são mostradas abaixo.
Atualmente, balanças hidrostáticas raramente são vistas em laboratórios científicos. Eles foram substituídos por instrumentos mais precisos e fáceis de usar, como o picnômetro ou balanças eletrônicas.
Componentes da balança de Galileu
Este aparelho possui dois braços do mesmo comprimento que podem girar livremente em torno de um eixo central horizontal. Um copo é suspenso na extremidade de cada alavanca. Ele é projetado para suportar pesos de massa conhecida. Há um gancho na parte inferior dos copos. Você pode pendurar diferentes cargas nele.
Além dos pesos, a balança hidrostática inclui dois cilindros metálicos. Eles têm o mesmo volume, apenas um deles é feito inteiramente de metal e o segundo é oco. Também está incluído um cilindro de vidro.que é preenchido com líquido durante as medições.
O instrumento em questão é usado para demonstrar a lei de Arquimedes e para determinar a densidade de líquidos e sólidos.
Demonstração da lei de Arquimedes
Arquimedes estabeleceu que um corpo imerso em um líquido o desloca, e o peso do líquido deslocado é exatamente igual à força de empuxo que atua para cima no corpo. Mostraremos como, usando uma balança hidrostática, essa lei pode ser verificada.
Na tigela esquerda do dispositivo, primeiro penduraremos um cilindro de metal oco e depois um cheio. Colocamos pesos no lado direito da balança para equilibrar o aparelho. Agora vamos encher o cilindro de vidro com água e colocar todo o peso de metal da tigela esquerda dentro dele para que fique completamente submerso. Pode-se observar que o peso da tigela direita será maior, e o equilíbrio do aparelho será perturbado.
Depois puxamos água para o cilindro superior oco. Vamos observar como a balança restaura novamente seu equilíbrio. Como os volumes dos cilindros de metal são iguais, verifica-se que o peso da água deslocada por um cilindro cheio será igual à força que o empurra para fora do líquido.
A imagem abaixo ilustra a experiência descrita.
Medição de densidade de sólidos
Esta é uma das principais tarefas das balanças hidrostáticas. O experimento é realizado na forma das seguintes etapas:
- O peso do corpo é medido, cuja densidade deve ser encontrada. Para fazer isso, ele é suspenso no gancho de uma das tigelas e pesos da massa apropriada são colocados na segunda tigela. Vamos denotar o que encontramosforma o valor do peso do símbolo de carga m1.
- O corpo medido é completamente imerso em um cilindro de vidro cheio de água destilada. Nesta posição, o corpo é pesado novamente. Suponha que a massa medida fosse m2.
- Calcule o valor de densidade ρs de um sólido usando a seguinte fórmula:
ρs=ρlm1/(m 1-m2)
Aqui ρl=1 g/cm3 é a densidade da água destilada.
Assim, para determinar a densidade de um corpo sólido, é necessário medir seu peso no ar e em um líquido cuja densidade é conhecida.
Determinação da densidade de líquidos
O princípio de Arquimedes, que é a base para o funcionamento das balanças hidrostáticas, permite medir a densidade de qualquer líquido utilizando o aparelho em questão. Vamos descrever como é feito:
- Uma carga arbitrária é tomada. Pode ser um cilindro sólido de metal ou qualquer outro corpo de forma arbitrária. Em seguida, a carga é imersa em um líquido com densidade conhecida ρl1 e o peso da carga é medido m1.
- A mesma carga é completamente imersa em um líquido de densidade desconhecida ρl2. Anote o valor de sua massa neste caso (m2).
- Os valores medidos são substituídos na fórmula e determinam a densidade do líquido ρl2:
ρl2=ρl1m2/m 1
Ba água destilada é frequentemente usada como um líquido com densidade conhecida (ρl1=1 g/cm3).
Assim, o equilíbrio hidrostático do Galileu é bastante fácil de usar para determinar a densidade de substâncias e materiais. A precisão de seus resultados está dentro de 1%.
