立方體、圓柱體、球體等規則物體體積的計算都有幾何公式可以利用,對於形態不規則且含氣孔的陶瓷坯又該如何進行體積測定呢?
首先,對於不規則物體想要直接用尺子量出精確尺寸是非常困難的,費時費力且誤差大。
有些朋友可能會想到阿基米德洗澡的故事,通過將物體沉入裝滿水的浴缸,稱量溢出的水量,來間接測定不規則體的體積。思路是可以的,對於大如人體,或者如國王的金冠那樣較重且不吸水的物體尚可一試,但對於小件物體,或者有一定氣孔率的陶瓷坯體來說,誤差太大。
工藝教材一般都講天平懸掛稱重法測量體積,但是同樣有缺陷:
1. 老式天平操作複雜,且沒有去皮功能,工廠的實驗一般不配備;
2. 計算公式繁瑣。
下面介紹一種簡單實用的懸浮稱重法,至少有以下優點:
1. 不需要引進新設備,節約成本;
2. 操作簡單,只有兩個步驟;
3. 數字顯示,非常直觀。
實驗設備
1. 電子稱,精確至0.01g;
2. 燒杯(其他類似容器亦可,不需要刻度);
3. 細繩索(細鐵絲等,以不吸水為佳)。
測定步驟
準備:將盛有半杯水的容器置於電子稱上。
測定步驟:
1. 將懸掛好的套索部分浸入水中,在液面處做標記,按電子稱「去皮」鍵,使讀數為0.00;
2. 將待測物體掛在套索上,再次沉入水中,等電子稱讀數穩定,直接讀取數字,即為待測物的體積,單位:g/cm3。
注意:步驟2的套索浸入深度與步驟1相同(液面在步驟1的標記處),待測物要完全沒入水中,且與容器底、壁均不接觸。
測定原理
上述步驟的理論依據仍然是阿基米德原理。
根據受力圖示,設定待測物本身質量為m,步驟2中待測物浸沒後電子稱穩定讀數為M顯。
以待測物為分析對象,受到套索拉力F,水的浮力F浮,重力mg,則有:
以容器、水、待測物整體為分析對象,受到套索拉力F,電子稱盤的支持力M顯g,由於水和容器自重已在步驟1「去皮」操作中處理,則有:
以上三式合併得
水的比重取1g/cm3,得
即,步驟2中電子稱讀數即為待測物體積。
誤差:
1. 雖然套索自身重量已經通過步驟1的「去皮」操作抵消,但還是要儘可能細小輕便;
2. 水的比重取為1g/cm3,在室溫下誤差小於0.3%但必須是純水,如果當地水質硬度較大,最好使用蒸餾水;
3. 待測物本身不吸水。
有氣孔陶瓷坯體體積測定
上述方法的核心是阿基米德公式中的排水體積,有氣孔率的陶瓷坯體有一定的吸水率,實際排水體積會偏小。這種情況的處理方法也非常簡單。
對於有氣孔的陶瓷坯體,先進行吸水率測試,用上一篇中的沸煮法或者真空法,讓坯體先飽和吸水,然後再用本篇中的步驟1、步驟2進行測定,讀數即為體積。
陶瓷坯體顯氣孔率計算
陶瓷坯體中與外界大氣連通的氣孔稱為開口氣孔,對應的氣孔率稱為顯氣孔率,全封閉的為閉合氣孔。瓷體、開口氣孔、閉合氣孔的體積總合為表觀體積。
明顯了以上概念,結合上述實驗就可以計算氣孔率。
1. 表觀體積V
M顯------飽和吸水坯體在體積測定步驟2中,電子稱的讀數。
2. 開口氣孔體積V0
m1----乾燥坯體質量;
m2----飽和吸水後坯體質量。
3. 顯氣孔率P
其他應用
以上不規則體的體積測定方法同樣可用於石材、球石、金屬物件的體積測定,有了相對精確的體積,就可以很方便的計算出試樣的比重,對於性能測試和材料驗收都是一種方便快捷的方法。
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