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La densité d’un matériau est définie comme sa masse par unité de volume. En d’autres termes, la densité est le rapport entre la masse et le volume ou la masse par unité de volume. C’est une mesure de la quantité de « matière » qu’un objet possède dans une unité de volume (mètre cube ou centimètre cube). La densité est essentiellement une mesure de l’étanchéité de la matière. Le principe de la densité a été découvert par le scientifique grec Archimède, et il est facile à calculer si vous connaissez la formule et comprenez les unités qui s’y rapportent.
Formule de densité
Pour calculer la densité (généralement représentée par la lettre grecque « ρ ») d’un objet, il faut prendre la masse (m) et la diviser par le volume (v) :
ρ = m / v
L’unité SI de densité est le kilogramme par mètre cube (kg/m3). Elle est également fréquemment représentée dans l’unité cgs de grammes par centimètre cube (g/cm3).
Comment trouver la densité
Pour étudier la densité, il peut être utile de travailler un problème d’échantillon en utilisant la formule de densité, comme mentionné dans la section précédente. Rappelons que si la densité est effectivement la masse divisée par le volume, elle est souvent mesurée en unités de grammes par centimètre cube car les grammes représentent un poids standard, alors que les centimètres cubes représentent le volume de l’objet.
Pour ce problème, prenez une brique de sel de 10,0 cm x 10,0 cm x 2,0 cm, qui pèse 433 grammes. Pour trouver la densité, utilisez la formule, qui vous aide à déterminer la quantité de masse par unité de volume, ou :
ρ = m / v
Dans cet exemple, vous avez les dimensions de l’objet, vous devez donc calculer le volume. La formule de calcul du volume dépend de la forme de l’objet, mais il s’agit d’un calcul simple pour une boîte :
v = longueur x largeur x épaisseursv = 10,0 cm x 10,0 cm x 2,0 cmv = 200,0 cm3
Maintenant que vous avez la masse et le volume, calculez la densité, comme suit :
ρ = m / vρ = 433 g/200.0 cm3ρ = 2,165 g/cm3
Ainsi, la densité de la brique de sel est de 2,165 g/cm3.
Utilisation de la densité
L’une des utilisations les plus courantes de la densité est la façon dont les différents matériaux interagissent lorsqu’ils sont mélangés entre eux. Le bois flotte dans l’eau parce qu’il a une densité plus faible, tandis qu’une ancre coule parce que le métal a une densité plus élevée. Les ballons d’hélium flottent parce que la densité de l’hélium est inférieure à celle de l’air.
Lorsque votre station-service automobile teste différents liquides, comme le liquide de transmission, elle en verse une partie dans un aréomètre. L’aéromètre comporte plusieurs objets calibrés, dont certains flottent dans le liquide. En observant lesquels de ces objets flottent, les employés de la station-service peuvent déterminer la densité du liquide. Dans le cas du liquide de transmission, ce test révèle si les employés de la station-service doivent le remplacer immédiatement, ou si le liquide a encore une certaine durée de vie.
La densité vous permet de résoudre la masse et le volume si on vous donne l’autre quantité. Comme la densité des substances communes est connue, ce calcul est assez simple, dans la forme. (Notez que le symbole de l’astérisque -*- est utilisé pour éviter toute confusion avec les variables pour le volume et la densité, ρ et v, respectivement).
v * ρ = morm / ρ = v
Le changement de densité peut également être utile pour analyser certaines situations, comme par exemple lorsqu’une conversion chimique a lieu et que de l’énergie est libérée. La charge d’une batterie d’accumulateurs, par exemple, est une solution acide. Lorsque la batterie décharge de l’électricité, l’acide se combine avec le plomb de la batterie pour former un nouveau produit chimique, ce qui entraîne une diminution de la densité de la solution. Cette densité peut être mesurée pour déterminer le niveau de charge résiduelle de la batterie.
La densité est un concept clé dans l’analyse de l’interaction des matériaux en mécanique des fluides, en météorologie, en géologie, en sciences des matériaux, en ingénierie et dans d’autres domaines de la physique.
Gravité spécifique
Un concept lié à la densité est la gravité spécifique (ou, plus approprié encore, la densité relative) d’un matériau, qui est le rapport entre la densité du matériau et la densité de l’eau. Un objet ayant une gravité spécifique inférieure à un flottera dans l’eau, tandis qu’une gravité spécifique supérieure à un signifie qu’il coulera. C’est ce principe qui permet, par exemple, à un ballon rempli d’air chaud de flotter par rapport au reste de l’air.
