Удельный вес: понятие, определение и применение

Сегодня рассмотрим удельный вес и его отличие от плотности. Здесь показан способ получения этой характеристики для твердых тел. В статье приводятся самый большой и маленький удельный вес среди благородных металлов, которые сравниваются с аналогичными величинами некоторых важных для современного мира веществ.

Разница между весом и массой

Для начала стоит обсудить разницу, которая в быту совершенно не важна. Но если вы решаете физические задачи про движение тел в пространстве, не связанном с поверхностью планеты Земля, то различия, которые мы приведем, весьма существенны. Итак, опишем, в чем разница между весом и массой.

Определение веса

Вес имеет смысл только в поле тяжести, то есть вблизи крупных объектов. Другими словами, если человек находится в зоне притяжения звезды, планеты, крупного спутника или приличных размеров астероида, то весом называется та сила, которую оказывает тело на препятствие между ним и источником гравитации в неподвижной системе отсчета. Эта величина измеряется в ньютонах. Представьте, что в космосе висит звезда, на каком-то расстоянии от неё находится каменная плита, а на плите лежит железный шарик. Вот с какой силой он давит на препятствие, таким и будет вес.

Как известно, гравитация зависит от расстояния и массы притягивающего объекта. То есть если шарик лежит далеко от тяжелой звезды или близко к небольшой и относительно легкой планете, то действовать на плиту он будет одинаково. А вот на разных расстояниях от источника гравитации сила сопротивления одного и того же объекта будет разной. Что это значит? Если человек передвигается в пределах одного города, то ничего. Но если речь идет об альпинисте или подводнике, то пусть он знает: глубоко под океаном, ближе к ядру, объекты имеют больший вес, чем на уровне моря, а высоко в горах – меньший. Однако в пределах нашей планеты (к слову сказать, не самой большой даже в Солнечной системе) разница не такая существенная. Она становится заметной при выходе в открытый космос, за пределы атмосферы.

Определение массы

Масса же тесно связана с инерцией. Если углубляться, то она определяет, какое гравитационное поле создает тело. Эта физическая величина является одной из самых фундаментальных характеристик. Зависит она только от вещества при не релятивистских (то есть близких к световой) скоростях. В отличие от веса, масса не зависит от расстояния до другого объекта, она определяет силу взаимодействия с ним.

Также значение массы объекта инвариантно к системе, в которой определяется. Измеряется в таких величинах, как килограмм, тонна, фунт (не путать с футом) и даже стоун (что по-английски значит «камень»). Все зависит от того, в какой стране человек живет.

Определение удельного веса

Теперь, когда читатель разобрался в этой важной разнице между двумя похожими понятиями и не путает их между собой, мы перейдем к тому, что такое удельный вес. Этим термином обозначается отношение веса вещества к его объему. В универсальной системе СИ обозначается как ньютон на метр кубический. Заметьте, в определении говорится о веществе, которое упоминается либо в чисто теоретическом (как правило, химическом) аспекте, либо применительно к однородным телам.

В некоторых задачах, решаемых в специфических областях физического знания, удельный вес считается как следующее соотношение: насколько исследуемое вещество тяжелее, чем вода четырех градусов Цельсия при равных объемах. Как правило, эта примерная и относительная величина используется в науках, связанных, скорее, с биологией или геологией. Этот вывод исходит из того, что указанная температура – средняя в океане по планете. По-другому удельный вес, определяемый вторым способом, может называться относительной плотностью.

Разница между удельным весом и плотностью

Соотношение, которым определяется эта величина, легко спутать с плотностью, так как это масса, деленная на объем. Однако вес, как мы уже выяснили, зависит от расстояния до источника гравитации и его массы, и эти понятия различны. При этом необходимо отметить, что в определенных условиях, а именно при невысокой (нерелятивистской) скорости, постоянном g и небольших ускорениях, могут численно совпасть плотность и удельный вес. Это означает, что рассчитывая две величины, можно получить для них одинаковое значение. При выполнении вышеназванных условий такое совпадение может привести к мысли, что эти два понятия являются одним и тем же. Это заблуждение опасно вследствие принципиальной разницы между заложенными в их фундамент свойствами.

Измерение удельного веса

Дома получить удельный вес металлов, да и других твердых веществ, сложно. Однако в простейшей лаборатории, оборудованной весами с глубокими чашами, скажем, в школе, это не составит труда. Металлический предмет взвешивается в нормальных условиях – то есть просто на воздухе. Это значение зарегистрируем как х1. Затем ту чашу, в которой лежит предмет, погружают в воду. При этом он теряет по всем известному закону Архимеда вес. Прибор теряет первоначальное положение, коромысло перекашивается. Для уравновешивания добавляется груз. Его величину обозначим х2.

Удельным весом тела будет соотношение х1 к х2. Помимо металлов, удельный вес измеряется для веществ в различных агрегатных состояниях, при неравном давлении, температуре, других характеристиках. Для определения искомой величины применяют методы взвешивания, пикнометра, ареометра. В каждом конкретном случае следует подбирать такие экспериментальные установки, которые учитывают все факторы.

Вещества с наибольшим и наименьшим удельным весом

Помимо чистой математической и физической теории, вызывают интерес своеобразные рекорды. Здесь мы постараемся привести те из элементов химической системы, которые обладают наибольшим и наименьшим зарегистрированным удельным весом. Среди цветных металлов самые «тяжелые» – благородные платина и золото, за ними следует тантал, названный в честь древнегреческого героя. Первые два вещества по удельному весу почти вдвое превышают аналогичные значения следующих за ними серебра, молибдена и свинца. Ну а самым легким среди благородных металлов стал магний, который почти в шесть раз меньше чуть более тяжелого ванадия.

Значения удельного веса некоторых других веществ

Мир современности был бы невозможен без железа и его разнообразных сплавов, и их удельный вес, несомненно, зависит от состава. Его значение варьируется в пределах одной-двух единиц, но в среднем это не самые высокие показатели среди всех веществ. А что же мы можем сказать об алюминии? Как и плотность, удельный вес его очень невысок – всего лишь вдвое больше магния. Это существенное преимущество для строительства высотных зданий, например, или летательных аппаратов, особенно в сочетании с такими его свойствами, как прочность и ковкость.

А вот медь отличается весьма высоким удельным весом, почти наравне с серебром и свинцом. При этом ее сплавы, бронза и латунь, немного легче за счет других металлов, обладающих меньшим значением обсуждаемой величины. Очень красивый и невероятно дорогой алмаз имеет, скорее, низкое значение удельного веса – всего лишь в три раза больше, чем у магния. Кремний и германий, без которых были бы невозможны современные миниатюрные гаджеты, несмотря на то, что имеют похожие структуры, тем не менее различаются. Удельный вес первого почти вдвое меньше, чем второго, хотя оба на этой шкале относительно легкие вещества.