Timbangan hidrostatik: sejarah pembuatan, komponen, metode penggunaan

2024 Pengarang: Aaron Duncan | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-01 20:11

Untuk menentukan massa jenis zat cair dan zat padat, kita perlu mengetahui massa dan volumenya. Jika tidak ada masalah dalam mengukur massa, maka nilai volume yang tepat dapat ditemukan jika memiliki bentuk geometris beraturan yang diketahui, misalnya, bentuk prisma atau piramida. Jika tubuh memiliki bentuk yang sewenang-wenang, tidak mungkin untuk secara akurat menentukan volumenya dengan cara geometris standar. Namun, nilai densitas cairan atau padatan dapat diukur dengan akurasi tinggi menggunakan neraca hidrostatik.

Latar belakang sejarah

Manusia telah tertarik dengan masalah pengukuran volume dan kepadatan benda sejak zaman kuno. Menurut bukti sejarah yang masih ada, masalah yang dicatat pertama kali berhasil diselesaikan oleh Archimedes ketika dia mengatasi tugas yang diberikan kepadanya untuk menentukan apakah mahkota emas itu palsu.

Archimedeshidup pada abad III SM. Setelah penemuannya, manusia membutuhkan waktu hampir 2000 tahun untuk menciptakan sebuah penemuan yang menggunakan prinsip fisika yang dirumuskan oleh orang Yunani dalam pekerjaannya. Ini adalah keseimbangan hidrostatik. Diciptakan oleh Galileo pada tahun 1586. Timbangan ini telah lama menjadi cara utama untuk secara akurat mengukur kerapatan berbagai cairan dan padatan. Foto keseimbangan hidrostatik Galileo ditunjukkan di bawah ini.

Selanjutnya, varietas mereka muncul - skala Mohr-Westphal. Di dalamnya, alih-alih dua tuas yang identik, hanya satu yang digunakan, di mana beban yang diukur ditangguhkan, dan di mana beban dari massa yang diketahui meluncur untuk mendapatkan keseimbangan. Skala Mohr-Westphal ditunjukkan di bawah ini.

Saat ini, neraca hidrostatik jarang terlihat di laboratorium ilmiah. Mereka telah digantikan oleh instrumen yang lebih akurat dan mudah digunakan seperti piknometer atau timbangan elektronik.

Komponen skala Galileo

Peralatan ini memiliki dua lengan dengan panjang yang sama yang dapat berputar bebas di sekitar sumbu horizontal tengah. Sebuah cangkir ditangguhkan dari ujung setiap tuas. Ini dirancang untuk menahan beban dengan massa yang diketahui. Ada pengait di bagian bawah cangkir. Anda dapat menggantung beban yang berbeda darinya.

Selain bobot, neraca hidrostatik mencakup dua silinder logam. Mereka memiliki volume yang sama, hanya satu yang seluruhnya terbuat dari logam, dan yang kedua berlubang. Juga termasuk adalah silinder kaca.yang diisi dengan cairan selama pengukuran.

Alat yang dimaksud digunakan untuk mendemonstrasikan hukum Archimedes dan untuk menentukan massa jenis zat cair dan zat padat.

Demonstrasi hukum Archimedes

Archimedes menetapkan bahwa benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan menggantikannya, dan berat zat cair yang dipindahkan persis sama dengan gaya apung yang bekerja ke atas pada benda tersebut. Kami akan menunjukkan bagaimana, menggunakan keseimbangan hidrostatik, hukum ini dapat diverifikasi.

Di mangkuk kiri perangkat pertama-tama kita akan menggantung silinder logam berongga, lalu yang penuh. Kami menempatkan bobot di sisi kanan timbangan untuk menyeimbangkan perangkat. Sekarang mari kita isi silinder kaca dengan air dan tempatkan seluruh berat logam dari mangkuk kiri ke dalamnya sehingga benar-benar terendam. Dapat diamati bahwa berat mangkuk yang tepat akan lebih besar, dan keseimbangan perangkat akan terganggu.

Kemudian kita menarik air ke dalam silinder atas yang berlubang. Mari kita lihat bagaimana timbangan mengembalikan keseimbangannya. Karena volume silinder logam sama, ternyata berat air yang dipindahkan oleh silinder penuh akan sama dengan gaya yang mendorongnya keluar dari cairan.

Gambar di bawah menggambarkan pengalaman yang dijelaskan.

Pengukuran massa jenis padatan

Ini adalah salah satu tugas utama timbangan hidrostatik. Eksperimen dilakukan dalam bentuk langkah-langkah berikut:

• Berat tubuh diukur, kepadatannya harus ditemukan. Untuk melakukan ini, itu ditangguhkan dari kait salah satu mangkuk, dan beban dengan massa yang sesuai ditempatkan pada mangkuk kedua. Mari kita tunjukkan apa yang kita temukancara nilai bobot simbol beban m_1.
• Badan yang diukur dicelupkan seluruhnya ke dalam silinder kaca yang diisi dengan air suling. Dalam posisi ini, tubuh ditimbang kembali. Misalkan massa yang diukur adalah m_2.
• Hitung nilai kerapatan _{s suatu padatan menggunakan rumus berikut:}

ρ_s=_lm₁/(m ₁- m₂₎

Di sini _l=1 g/cm^{3 adalah massa jenis air suling.}

Jadi, untuk menentukan massa jenis benda padat, perlu mengukur beratnya di udara dan dalam cairan yang massa jenisnya diketahui.

Menentukan massa jenis zat cair

Prinsip Archimedes, yang merupakan dasar pengoperasian neraca hidrostatik, memungkinkan Anda mengukur densitas cairan apa pun menggunakan perangkat yang dimaksud. Mari kita jelaskan bagaimana hal itu dilakukan:

• Sebuah beban sewenang-wenang diambil. Ini bisa berupa silinder padat logam atau benda lain dengan bentuk sewenang-wenang. Kemudian, beban direndam dalam cairan yang massa jenisnya diketahui _l1 dan berat beban diukur m_1.
• Beban yang sama dicelupkan seluruhnya ke dalam zat cair yang massa jenisnya tidak diketahui _l2. Tuliskan nilai massanya dalam kasus ini (m_2).
• Nilai terukur disubstitusikan ke dalam rumus dan menentukan massa jenis cairan _l2:

ρ_l2=_l1m₂/m ₁

Bair suling sering digunakan sebagai cairan dengan massa jenis yang diketahui (ρ_l1=1 g/cm^3).

Dengan demikian, neraca hidrostatik Galileo cukup mudah digunakan untuk menentukan massa jenis zat dan bahan. Akurasi hasil mereka dalam 1%.