Hydrostatické váhy: historie vzniku, komponenty, způsoby použití

2024 Autor: Aaron Duncan | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-01 20:04

K určení hustoty kapalin a pevných látek potřebujete znát jejich hmotnost a objem. Pokud nejsou problémy s měřením hmotnosti, pak lze přesnou hodnotu objemu tělesa zjistit, pokud má známý pravidelný geometrický tvar, například tvar hranolu nebo jehlanu. Pokud má těleso libovolný tvar, není možné přesně určit jeho objem standardními geometrickými prostředky. Hodnotu hustoty kapaliny nebo pevné látky však lze měřit s vysokou přesností pomocí hydrostatických vah.

Historické pozadí

Lidstvo se o problematiku měření objemu a hustoty těles zajímalo již od starověku. Podle dochovaných historických důkazů zmíněný problém poprvé úspěšně vyřešil Archimedes, když se vyrovnal s úkolem, který mu byl přidělen, aby zjistil, zda je zlatá koruna falešná.

Archimedesžil ve III století před naším letopočtem. Po jeho objevení trvalo lidstvu téměř 2000 let, než vytvořilo vynález, který ve své práci využívá fyzikální princip formulovaný Řekem. Jedná se o hydrostatickou rovnováhu. Vynalezen Galileem v roce 1586. Tyto váhy jsou již dlouho hlavním způsobem, jak přesně měřit hustotu různých kapalin a pevných látek. Níže je uvedena fotografie hydrostatické rovnováhy systému Galileo.

Následně se objevila jejich odrůda - Mohr-westphalské šupiny. V nich byla místo dvou stejných pák použita pouze jedna, na které bylo zavěšeno měřené břemeno a po které klouzaly břemena o známé hmotnosti, aby získala rovnováhu. Mohr-westphalské stupnice jsou uvedeny níže.

V současné době jsou hydrostatické váhy ve vědeckých laboratořích k vidění jen zřídka. Byly nahrazeny přesnějšími a snadno použitelnými přístroji, jako je pyknometr nebo elektronické váhy.

Součásti Galileových vah

Tento spotřebič má dvě ramena stejné délky, která se mohou volně otáčet kolem středové horizontální osy. Na konci každé páky je zavěšen šálek. Je navržen tak, aby udržel závaží známé hmotnosti. Ve spodní části košíčků je háček. Můžete na něj zavěsit různá břemena.

Kromě závaží obsahuje hydrostatická váha dva kovové válce. Mají stejný objem, jen jeden z nich je celý z kovu a druhý je dutý. Součástí je také skleněný válec.který je během měření naplněn kapalinou.

Dotyčný přístroj se používá k demonstraci Archimedova zákona a ke stanovení hustoty kapalin a pevných látek.

Demonstrace Archimedova zákona

Archimedes zjistil, že těleso ponořené do kapaliny jej vytlačí a hmotnost vytlačené kapaliny se přesně rovná vztlakové síle působící na těleso směrem nahoru. Ukážeme si, jak lze tento zákon ověřit pomocí hydrostatické váhy.

Na levou misku zařízení nejprve zavěsíme dutý kovový válec a poté plný. Na pravou stranu vah položíme závaží, abychom zařízení vyvážili. Nyní naplňte skleněný válec vodou a vložte do něj celou kovovou váhu levé misky tak, aby byla zcela ponořená. Lze pozorovat, že hmotnost pravé misky bude větší a rovnováha zařízení bude narušena.

Poté natáhneme vodu do dutého horního válce. Pojďme se podívat, jak váhy opět obnoví svou rovnováhu. Vzhledem k tomu, že objemy kovových válců jsou stejné, ukazuje se, že hmotnost vody vytlačené plným válcem se bude rovnat síle, která ji vytlačí z kapaliny.

Obrázek níže ilustruje popsanou zkušenost.

Měření hustoty pevných látek

Toto je jeden z hlavních úkolů hydrostatických vah. Experiment se provádí ve formě následujících kroků:

• Měří se hmotnost těla, jejíž hustotu je třeba zjistit. K tomu se zavěsí na hák jedné z misek a na druhou misku se umístí závaží příslušné hmoty. Označme, co jsme našlizpůsobem hodnota hmotnosti symbolu nákladu m_1.
• Měřené těleso je zcela ponořeno do skleněného válce naplněného destilovanou vodou. V této poloze se tělo znovu zváží. Předpokládejme, že naměřená hmotnost byla m_2.
• Vypočítejte hodnotu hustoty ρ_{s pevné látky pomocí následujícího vzorce:}

ρ_s=ρ_lm₁/(m ₁- m₂₎

Zde ρ_l=1 g/cm^{3 je hustota destilované vody.}

Pro určení hustoty pevného tělesa je tedy nutné změřit jeho hmotnost na vzduchu a v kapalině, jejíž hustota je známá.

Určení hustoty kapalin

Princip Archiméda, který je základem pro fungování hydrostatických vah, umožňuje měřit hustotu jakékoli kapaliny pomocí příslušného zařízení. Pojďme si popsat, jak se to dělá:

• Je použito libovolné zatížení. Může to být kovový pevný válec nebo jakékoli jiné těleso libovolného tvaru. Poté se náklad ponoří do kapaliny o známé hustotě ρ_l1 a změří se hmotnost nákladu m_1.
• Stejná náplň je zcela ponořena do kapaliny s neznámou hustotou ρ_l2. Zapište hodnotu jeho hmotnosti v tomto případě (m_2).
• Naměřené hodnoty se dosadí do vzorce a určují hustotu kapaliny ρ_l2:

ρ_l2=ρ_l1m₂/m ₁

Bdestilovaná voda se často používá jako kapalina se známou hustotou (ρ_l1=1 g/cm^3).

Hydrostatická váha systému Galileo je tedy poměrně snadno použitelná k určení hustoty látek a materiálů. Přesnost jejich výsledků je do 1 %.