ความหนาแน่น

       พิจารณาเรือเดินสมุทรที่มีขนาดใหญ่สามารถลอยอยู่ในน้ำได้อย่างไร  นักเรียนคงจะพิจารณา
ที่มวลและน้ำหนักอย่างเดียวไม่ได้เพราะความรู้สึกส่วนใหญ่เราจะคิดว่าวัตถุจะลอยหรือจมน้ำ
เราจะดูกันง่ายๆ แค่เพียงกว่าหนักหรือเบา  แต่เรือที่มีขนาดใหญ่สามารถลอยน้ำได้นักเรียนคงต้อง

ศึกษาเรื่องความหนาแน่นของสารแล้วนำความรู้ที่ได้มาอธิบาย

ภาพ 1  แสดงเรือที่สามารถลอยในน้ำได้

       ความหนาแน่น (density, สัญลักษณ์: ρ  อักษรกรีก อ่านว่า โร ) เป็นอัตราส่วนระหว่างมวลกับ
ปริมาตรสาร ในระบบเอสไอ (S.I.) มีหน่วยเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

   โดยที่

                         ρ คือความหนาแน่นของวัตถุ (หน่วย กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร)

                        m คือมวลรวมของวัตถุ (หน่วย กิโลกรัม)

                         V คือปริมาตรรวมของวัตถุ (หน่วย ลูกบาศก์เมตร)

? คำถามประจำหน่วย : ทำไมเรือที่สร้างจากเหล็กจึงสามารถลอยน้ำได้

ภาพ 2  แสดงเรือเดินสมุทรขนาดใหญ่ที่สามารถลอยน้ำได้

ที่มาภาพ : http://travel.mthai.com/wp-content/uploads/old_attachment/2010/05/13/5337-qe2.jpg

       เรือเหล็กลอยน้ำได้อย่างไร  ทำไมเรือเหล็กจึงลอยน้ำได้ทั้งๆ ที่เหล็กมีความหนาแน่น
มากกว่าน้ำ  ก็เพราะว่าเหล็กมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำจึงจมน้ำ ถ้านำเหล็กมาตีแผ่เป็นแผ่น
บางๆ แล้วทำเป็นรูปทรงของเรือ ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นทั้งๆ ที่มวลเท่าเดิม ทำให้เรือเหล็กมี
ความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ  จึงลอยน้ำได้
       วัตถุสามารถลอยได้ในของเหลวใดๆ ก็เพราะวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว
ชนิดนั้น เช่น ไม้ชิ้นหนึ่งมีความหนาแน่น 0.9 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร สามารถลอยได้ในน้ำ
ซึ่งมีความหนาแน่น 1 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร  การที่วัตถุสามารถลอยตัวอยู่ในน้ำได้ 
เนื่องจาก วัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำและน้ำก็มีแรงดันวัตถุให้ลอยขึ้นมา    แรงนี้
เรียกว่า   “แรงลอยตัวหรือแรงพยุง”    ซึ่งแรงนี้จะขึ้นอยู่กับปริมาณของน้ำที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่   
ยิ่งวัตถุมีพื้นที่สัมผัสกับน้ำมากเท่าไหร่ หรือ เข้าไปแทนที่น้ำได้มาก (สังเกตจากปริมาณน้ำในขัน
หรือชามที่สูงขึ้น)  ความหนาแน่นของวัตถุจะลดลงและแรงลอยตัวจะเพิ่มขึ้น   วัตถุจึงลอยตัว
ในน้ำได้  ดังนั้นหากแผ่วัตถุให้มีขนาดใหญ่และมีขอบโค้งขึ้นมาคล้ายเรือ  วัตถุนั้นก็จะลอยตัวได้ดี 

ภาพ 1  แสดงสารชนิดต่างๆ ที่มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน

ที่มาภาพ : http://static.squarespace.com/static/5277d798e4b0298e6ac9020f/
5293511ae4b055565bd2230c/52fe8e6be4b0a44284ea5258/1406135491141/SciSource_BX5834.jpg?format=300w


ตารางแสดงค่าความหนาแน่นของสารชนิดต่างๆ

         ความหนาแน่นสัมพัทธ์  (relative density) โดยความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสารใดๆ เป็นความหนาแน่นของสารนั้นเทียบกับความหนาแน่นของสารอ้างอิง ซึ่งนิยมใช้น้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส (เป็นอุณหภูมิที่น้ำมีความหนาแน่นสูงที่สุด)

       ไฮโดรมิเตอร์ เป็นเครื่องมือวัดความถ่วงจำเพาะ (ถ.พ.) ซึ่งเป็นการวัดความหนาแน่นของ
ของเหลวว่าของเหลวนั้นมีความหนาแน่นเป็นกี่เท่าของน้ำ (ความหนาแน่นของน้ำเป็น 1 กรัมต่อ
ลูกบาศก์เซนติเมตร) 

ภาพ  2  แสดงไฮโดรมิเตอร์

ที่มาภาพ : http://fieldtrip.ipst.ac.th/backend/images/resources/salt/content_pic/7-2.jpg

ความรู้เพิ่มเติม
       - สสารที่หนาแน่นที่สุดที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติบนโลก คือ ธาตุอิริเดียม มีความหนาแน่น
ประมาณ 22,650 kg/m³

       - น้ำที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส มีความหนาแน่น  1,000 kg/m³ หรือ  10³ kg/m³ ใช้เป็น
ค่ามาตรฐานของความหนาแน่นน้ำ