Materie – Physik für die Luftfahrt

By | September 23, 2022

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Materie ist die Grundlage oder die Bausteine ​​für jede Diskussion über Physik. Laut Wörterbuch ist Materie das, woraus alle Dinge bestehen; was Raum einnimmt, Masse hat und irgendwie sinnlich wahrnehmbar ist. Gemäß dem Erhaltungsgesetz kann Materie weder erschaffen noch zerstört werden, obwohl es möglich ist, ihren physikalischen Zustand zu ändern. Wenn flüssiges Benzin verdampft und sich mit Luft vermischt und dann verbrennt, könnte es scheinen, als ob dieses Stück Materie verschwunden ist und nicht mehr existiert. Obwohl es nicht mehr im Zustand von flüssigem Benzin existiert, existiert die Materie immer noch in Form der Gase, die vom brennenden Kraftstoff abgegeben werden.

Eigenschaften der Materie

Masse und Gewicht

Masse ist ein Maß für die Menge an Materie in einem Objekt. Mit anderen Worten, wie viele Moleküle sind in dem Objekt, wie viele Atome sind in dem Objekt, oder genauer gesagt, wie viele Protonen, Neutronen und Elektronen sind in dem Objekt. Die Masse eines Objekts ändert sich nicht, unabhängig davon, wohin Sie es im Universum bringen, oder mit einer Zustandsänderung. Die einzige Möglichkeit, die Masse eines Objekts zu ändern, besteht darin, Atome hinzuzufügen oder wegzunehmen. Mathematisch lässt sich die Masse wie folgt angeben:

Masse = Gewicht ÷ Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft

Die Erdbeschleunigung beträgt hier auf der Erde 32,2 Fuß pro Sekunde pro Sekunde (32,2 fps/s). Ein Objekt, das hier auf der Erde 32,2 Pfund (lb) wiegt, soll eine Masse von 1 Schnecke haben. Ein Slug ist eine Massemenge, die mit einer Geschwindigkeit von 1 ft. /s2 beschleunigt wird, wenn eine Kraft von 1 Pfund ausgeübt wird. Mit anderen Worten, unter normalen atmosphärischen Bedingungen, bei denen die Schwerkraft 32,2 fps/s beträgt, würde die Masse einer Kugel 32,2 lb entsprechen.

Das Gewicht ist ein Maß für die Anziehungskraft der Schwerkraft, die auf die Masse eines Objekts wirkt. Je mehr Masse ein Objekt hat, desto mehr wiegt es unter der Erdanziehungskraft. Die einzige Möglichkeit für ein Objekt, schwerelos zu werden, besteht darin, dass die Schwerkraft verschwindet, da es nicht möglich ist, dass die Masse eines Objekts verschwindet. Wenn wir Astronauten im Space Shuttle sehen, scheinen sie schwerelos zu sein. Obwohl das Shuttle weit von der Erdoberfläche entfernt ist, ist die Schwerkraft nicht vollständig verschwunden, und die Astronauten sind nicht schwerelos. Die Astronauten und das Space Shuttle befinden sich tatsächlich im freien Fall, sodass die Astronauten relativ zum Shuttle schwerelos erscheinen. Mathematisch lässt sich das Gewicht wie folgt angeben:

Gewicht = Masse × Schwerkraft

Attraktion

Anziehung ist eine gegenseitige Kraft, die zwischen Materieteilchen wirkt, die dazu neigt, sie zusammenzuziehen. Sir Isaac Newton nannte dies das „Gesetz der universellen Gravitation“. Newton zeigte, wie jedes Materieteilchen jedes andere Teilchen anzieht, wie Menschen an die Erde gebunden sind und wie die Planeten im Sonnensystem angezogen werden.

Porosität

Porosität bedeutet, Poren oder Zwischenräume zu haben, in die kleinere Partikel passen können, wenn eine Mischung stattfindet. Dies wird manchmal als körnig bezeichnet – bestehend oder scheinbar aus kleinen Körnern oder Körnern.

Undurchdringlichkeit

Undurchdringlichkeit bedeutet, dass keine zwei Objekte gleichzeitig denselben Ort einnehmen können. Daher können zwei Teile der Materie nicht gleichzeitig denselben Raum einnehmen.

Dichte

Die Dichte eines Stoffes ist sein Gewicht pro Volumeneinheit. Das zur Verwendung im englischen Maßsystem ausgewählte Einheitsvolumen ist 1 Kubikfuß (ft3). Im metrischen System ist es 1 Kubikzentimeter (cm3). Daher wird die Dichte in Pfund pro Kubikfuß (lb⁄ft3) oder in Gramm pro Kubikzentimeter (g⁄cm3) ausgedrückt.

Um die Dichte eines Stoffes zu bestimmen, müssen sein Gewicht und sein Volumen bekannt sein. Sein Gewicht wird dann durch sein Volumen dividiert, um das Gewicht pro Volumeneinheit zu finden. Zum Beispiel wiegt die Flüssigkeit, die einen bestimmten Behälter füllt, 1.497,6 Pfund. Der Behälter ist 4 Fuß lang, 3 Fuß breit und 2 Fuß tief. Sein Volumen beträgt 24 Fuß3 (4 Fuß × 3 Fuß × 2 Fuß). Wenn 24 ft3 Flüssigkeit 1.497,6 lb wiegen, dann wiegt 1 ft3 1.497,6 ÷ 24 oder 62,4 lb. Daher beträgt die Dichte der Flüssigkeit 62,4 lb/ft3. Dies ist die Dichte von Wasser bei 4 °C (Celsius) und wird normalerweise als Standard zum Vergleich der Dichte anderer Substanzen verwendet. Im metrischen System beträgt die Dichte von Wasser 1 g⁄cm3. Bei der Messung der Dichte von Flüssigkeiten und Feststoffen wird die Standardtemperatur von 4 °C verwendet. Temperaturänderungen ändern nicht das Gewicht einer Substanz, sondern das Volumen der Substanz durch Ausdehnung oder Kontraktion, wodurch sich ihr Gewicht pro Volumeneinheit ändert.

Das Verfahren zur Dichtefindung gilt für alle Stoffe; Bei der Bestimmung der Dichte von Gasen muss jedoch der Druck berücksichtigt werden. Der Druck ist bei der Messung der Dichte von Gasen kritischer als bei anderen Stoffen. Die Dichte eines Gases nimmt direkt proportional zum darauf ausgeübten Druck zu. Standardbedingungen für die Messung der Dichte von Gasen wurden bei 0 °C für die Temperatur und einem Druck von 76 cm Quecksilbersäule (Hg) festgelegt, was dem durchschnittlichen Druck der Atmosphäre auf Meereshöhe entspricht. Die Dichte wird basierend auf diesen Bedingungen für alle Gase berechnet.

Spezifisches Gewicht

Oft ist es notwendig, die Dichte eines Stoffes mit einem anderen Stoff zu vergleichen. Dazu wird ein Standard benötigt. Wasser ist der Standard, den Physiker gewählt haben, um die Dichten aller Flüssigkeiten und Feststoffe zu vergleichen. Für Gase wird am häufigsten Luft verwendet, aber manchmal wird auch Wasserstoff als Standard für Gase verwendet. In der Physik impliziert das Wort „spezifisch“ ein Verhältnis. Das spezifische Gewicht wird also berechnet, indem man das Gewicht eines bestimmten Volumens der gegebenen Substanz mit dem Gewicht eines gleichen Volumens Wasser vergleicht. Die Begriffe „spezifisches Gewicht“ oder „spezifische Dichte“ werden manchmal verwendet, um dieses Verhältnis auszudrücken.

Die folgenden Formeln werden verwendet, um das spezifische Gewicht von Flüssigkeiten und Feststoffen zu finden.

Spezifisches Gewicht = Gewicht der Substanz
Gewicht eines gleichen Wasservolumens

oder

Spezifisches Gewicht = Dichte der Substanz
Dichte von Wasser

Dieselben Formeln werden verwendet, um die Dichte von Gasen zu ermitteln, indem man Wasser durch Luft oder Wasserstoff ersetzt.


Das spezifische Gewicht wird nicht in Einheiten ausgedrückt, sondern als reine Zahlen. Wenn beispielsweise eine bestimmte Hydraulikflüssigkeit ein spezifisches Gewicht von 0,8 hat, wiegt 1 ft3 der Flüssigkeit 0,8 mal so viel wie 1 ft3 Wasser: 62,4 mal 0,8 oder 49,92 lb.

Spezifisches Gewicht und Dichte sind unabhängig von der Größe der betrachteten Probe und hängen nur von der Substanz ab, aus der sie besteht. Siehe Abbildung 1 für typische Werte des spezifischen Gewichts für verschiedene Substanzen.

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Abbildung 1. Spezifisches Gewicht verschiedener Substanzen

Ein als Hydrometer bezeichnetes Gerät wird zur Messung des spezifischen Gewichts von Flüssigkeiten verwendet. Diese Vorrichtung besteht aus einem röhrenförmigen Glasschwimmer, der in einem größeren Glasrohr enthalten ist. [Figure 2] Das größere Glasröhrchen dient als Behälter für die Flüssigkeit. Ein Saugball aus Gummi saugt die Flüssigkeit nach oben in den Behälter. Es muss genügend Flüssigkeit vorhanden sein, die den Schwimmer anhebt, damit er nicht den Boden berührt. Der Schwimmer ist gewichtet und hat eine vertikal abgestufte Skala.

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Abbildung 2. Aräometer zur Überprüfung des spezifischen Batteriegewichts
Zur Bestimmung des spezifischen Gewichts wird die Skala an der Oberfläche der Flüssigkeit abgelesen, in die der Schwimmer eingetaucht ist. Eine Anzeige von 1000 wird abgelesen, wenn der Schwimmer in reines Wasser getaucht wird. Beim Eintauchen in eine Flüssigkeit mit größerer Dichte steigt der Schwimmer und zeigt damit ein größeres spezifisches Gewicht an. Bei Flüssigkeiten mit geringerer Dichte sinkt der Schwimmer, was auf ein geringeres spezifisches Gewicht hinweist. Ein Beispiel für die Verwendung des Aräometers ist die Bestimmung des spezifischen Gewichts des Elektrolyten (Batterieflüssigkeit) in einer Flugzeugbatterie. Wenn eine Batterie entladen ist, zeigt der in das Elektrolyt eingetauchte kalibrierte Schwimmer ungefähr 1150 an. Die Anzeige einer geladenen Batterie liegt zwischen 1275 und 1310. Die Werte 1150, 1275 und 1310 repräsentieren 1,150, 1,275 und 1,310. Der Elektrolyt in einer entladenen Batterie ist 1,15-mal dichter als Wasser und in einer geladenen Batterie 1,275- bis 1,31-mal dichter als Wasser.

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