چگالی: کلید درک سنگینی ناگهانی اشیاء
چگالی دقیقاً چیست و چگونه محاسبه میشود؟
فرض کنید دو مکعب هماندازه دارید؛ یکی از آهن و دیگری از چوب پنبه. آیا وزن یکسانی دارند؟ مسلماً نه. آهن به مراتب سنگینتر است. این تفاوت، نه به دلیل اندازه، بلکه به دلیل چگالی متفاوت این دو ماده است. به زبان علمی، چگالی جرم یک ماده است در واحد حجم آن. یعنی به ما میگوید در یک سانتیمترمکعب (یا یک مترمکعب) از یک ماده، چقدر جرم فشرده شده است.
رابطهی اصلی چگالی به صورت زیر است:
$\rho = \frac{m}{V}$
که در آن:
$\rho$ (رو) نماد چگالی، $m$ جرم ماده (بر حسب کیلوگرم یا گرم) و $V$ حجم آن (بر حسب مترمکعب یا سانتیمترمکعب) است.
یکای استاندارد چگالی در سیستم بینالمللی واحدها (SI)، کیلوگرم بر مترمکعب ($kg/m^3$) است. اما در آزمایشگاههای مدرسه، اغلب از گرم بر سانتیمترمکعب ($g/cm^3$) استفاده میکنیم. نکتهی جالب اینجاست که چگالی آب خالص تقریباً برابر 1 $g/cm^3$ یا 1000 $kg/m^3$ است. این عدد یک معیار بسیار مفید برای مقایسه به ما میدهد.
| نام ماده | چگالی تقریبی ($g/cm^3$) | توضیح و مثال |
|---|---|---|
| چوب پنبه | 0.24 | خیلی سبک است. در چوبپنبهی درب بطری، سلولهای پر از هوا وجود دارد. |
| یخ | 0.92 | از آب مایع سبکتر است! به همین دلیل کوههای یخ روی آب شناور میمانند. |
| آب مایع (4°C) | 1.00 | معیار مقایسه. مواد با چگالی کمتر از این روی آب میمانند. |
| آلومینیوم | 2.7 | فلزی سبک اما محکم. قوطی نوشابه و بدنهی برخی هواپیماها از آن ساخته میشود. |
| آهن / فولاد | 7.8 | سنگین و محکم. در ساخت اسکلت ساختمانها و بدنهی کشتی کاربرد دارد. |
| سرب | 11.3 | فلزی بسیار سنگین. در باتریهای اسیدی و حفاظهای ضداشعه استفاده میشود. |
| طلای خالص (24 عیار) | 19.3 | یکی از فلزات سنگین و باارزش. چگالی بالا یکی از راههای تشخیص طلای اصل از تقلبی است. |
چگالی در عمل: از آشپزخانه تا صنعت
شاید فکر کنید چگالی یک مفهوم انتزاعی است، اما نمونههای آن در زندگی روزمره فراوان است. یک آزمایش ساده: یک قاشق روغن مایع و یک قاشق سرکه را در یک لیوان آب بریزید. چه میبینید؟ روغن روی آب میماند و سرکه به آرامی تهنشین میشود. دلیل این پدیده تفاوت چگالی این سه مایع است: چگالی روغن (حدود 0.9 $g/cm^3$) از آب کمتر است، پس روی آن شناور میشود. چگالی سرکه (حدود 1.01 $g/cm^3$) کمی بیشتر از آب است، بنابراین به پایین میرود.
این اصل در مقیاس بزرگتر نیز صادق است. کشتیسازی یک شاهکار مهندسی بر پایهی چگالی است. بدنهی کشتیها از فولاد ساخته شده که چگالی آن تقریباً هشت برابر آب است! پس چگونه شناور میماند؟ راز در حجم بزرگ کشتی و هوای داخل آن است. کشتی به گونهای طراحی شده که حجم زیادی از آب را جابجا کند (حجم زیر آب). جرم کلی کشتی تقسیم بر این حجم جابجا شده، چگالی متوسط کشتی را میسازد. اگر این چگالی متوسط از چگالی آب کمتر باشد، کشتی شناور میماند.
در هواشناسی نیز چگالی نقش دارد. هوای سرد چگالتر از هوای گرم است، بنابراین سنگینتر است و تمایل به پایین آمدن دارد. برعکس، هوای گرم سبکتر است و بالا میرود. این حرکت هوای سرد و گرم، بادها و بسیاری از الگوهای آبوهوایی را ایجاد میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
اشتباه رایج
پاسخ: خیر. چگالی ترکیبی از جرم و حجم است. یک بالون بسیار بزرگ پر از هوا جرم زیادی دارد (چند کیلوگرم) اما چون حجمش بسیار زیاد است، چگالی آن کماکان بسیار کم و نزدیک به چگالی هواست. در مقابل، یک قطعه کوچک سرب، با جرمی کمتر از آن بالون، چگالی بسیار بالاتری دارد زیرا جرم در حجم بسیار کوچکی متمرکز شده است.
نکتهی جالب
پاسخ: این یکی از استثناهای مهم در طبیعت است. وقتی آب منجمد میشود، مولکولهای آن ساختار بلوری با فاصلههای منظم میسازند. این آرایش باعث افزایش حجم و در نتیجه کاهش چگالی یخ نسبت به آب مایع میشود (چگالی یخ 0.92 $g/cm^3$). اگر اینطور نبود، یخها در زمستان ته دریاچهها جمع میشدند و تمام موجودات زندهی داخل آب از بین میرفتند.
پاسخ: هر مادهی خالص در شرایط ثابت (دما و فشار)، چگالی مشخص و ثابتی دارد. مثلاً چگالی طلای خالص 24 عیار 19.3 $g/cm^3$ است. اگر طلایی با نقره یا مس مخلوط شود، چگالی آن کاهش مییابد. جواهرسازان با اندازهگیری دقیق جرم و حجم یک قطعه و محاسبهی چگالی آن، میتوانند خلوص آن را تخمین بزنند. این روشی ساده اما مؤثر برای تشخیص تقلب است.
پاورقی
1چگالی (Density): یک خاصیت فیزیکی شدتی ماده که برابر است با جرم آن در واحد حجم. یکای اصلی آن در SI کیلوگرم بر مترمکعب است.
2جرم (Mass): مقدار ماده تشکیلدهندهی یک جسم که با ترازو اندازهگیری میشود. یکای آن کیلوگرم یا گرم است.
3حجم (Volume): مقدار فضایی که یک جسم یا ماده اشغال میکند. یکای آن مترمکعب یا سانتیمترمکعب است.
4SI (Systeme International d'Unités): سیستم بینالمللی واحدها، که استاندارد جهانی برای اندازهگیری کمیتهای فیزیکی است.
