Определение средней плотности материалов в образцах правильной и неправильной формы
Методика: определение массы и размеров образцов правильной формы (древесина, пенопласт, керамический кирпич); использование метода гидростатического взвешивания для образцов неправильной геометрической формы (сталь, гранит).
Ход работы: Образец материала правильной формы. Образцы древесины, пенопласта и керамического кирпича, имеющие форму параллелепипеда, измеряют линейкой с погрешностью 1 мм и рассчитывают объём образцов Vест (см³)по формуле:
Vест = а·b·h,
где a и b – стороны образца, h – высота образца, см.
Затем определяют их массу m с погрешностью 5 г для керамического кирпича и 0,1 г для древесины и пенопласта. Среднюю плотность ρm (г/см³) рассчитывают по формуле (2.2), а затем переводят её в кг/м³, умножая полученное значение на 1000. Полученные данные заносят в таблицу.
Образец материала неправильной формы. Трудность определения средней плотности на таких образцах заключается в определении объёма образца, т.к. его невозможно рассчитать по результатам геометрических измерений. Для определения объёма используют метод гидростатического взвешивания, основанный на законе Архимеда: объём тела оценивают по объёму вытесненной телом жидкости, который в свою очередь, определяют по выталкивающей силе, действующей на погружённый в жидкость образец.
Образец взвешивают в сухом состоянии mсух. Далее образец постепенно заливают нейтральной по отношению к материалу образца жидкостью, в нашем случае водой, и периодически (через 1…2 мин) взвешивают; перед взвешиванием образец обтирают влажной тканью. Заканчивают насыщение образца после того, когда два последовательных взвешивания будут отличаться не более чем на 0,05 г. Значение массы образца в этот момент принимают за массу насыщенного водой образца mнас.
Насыщенный водой образец подвешивают на тонкой проволочке к коромыслу технических весов и ещё раз определяют его массу mнас. Затем образец, не снимая с весов, погружают в воду, используя приспособление для гидростатического взвешивания (рис. 2) и определяют массу гирь, уравновешивающих образец, находящийся в воде – mвод.
По результатам двух последних взвешиваний рассчитывают естественный объём образца Vест:
Vест = 
,
где ρвод = 1 г/см³. Среднюю плотность ρm рассчитывают по приведённой ранее формуле.
Результаты всех испытаний заносят в сводную таблицу (см. табл. 2 лабораторного журнала).
Рис. 2 Весы для гидростатического взвешивания:
1 - П-образная подставка; 2 - образец материала; 3 – стакан с водой
Пример:
Таблица. Результаты определения структурных характеристик и свойств материалов
| Показатели, размерность | Форма образца | ||||
| правильная | неправильная | ||||
| Древесина | Пенопласт | Кирпич керам. | Сталь | Гранит | |
| Масса образца m, г | 49,3 | 15,6 | 94,5 | 63,5 | |
| Размеры, см: длина ширина высота | 4,5 | 14,6 | 24,8 | - | - |
| 4,5 | 9,2 | - | - | ||
| 4,7 | 5,1 | 5,7 | - | - | |
| Объём, Vест, см³ | 95,18 | 658,03 | 1696,32 | - | - |
| Масса гирь при взвешивании в воде m1, г | - | - | - | 82,16 | 40,1 |
| Масса вытесненной воды mвод= m - m1, г | - | - | - | 12,34 | 23,4 |
| Объём воды (образца) Vе = mвод/ ρвод, см³ | - | - | - | 12,34 | 23,4 |
| Средняя плотность ρm, г/см³ | 0,517 | 0,02 | 19,5 | 7,658 | 2,71 |
| То же, кг/м³ |
Расчётная формула: ρm = 