ما هي كثافة الألومنيوم؟

يبدو الألومنيوم خفيفاً وقوياً. ولكن ما الذي يجعله بالضبط المفضل للصناعات في جميع أنحاء العالم؟

تبلغ كثافة الألومنيوم حوالي 2.70 جم/سم3، مما يجعله أحد أخف المعادن المستخدمة في التصنيع. وتلعب هذه الكثافة المنخفضة دوراً رئيسياً في التطبيقات بدءاً من الفضاء إلى الهندسة المعمارية.

معرفة الكثافة ليست سوى البداية. فالقصة الأعمق تكمن في كيفية قياسها، ومقارنتها بالفولاذ، وكيف تغيرها السبائك، وكيف تؤثر درجة الحرارة عليها. دعونا نستكشف.

كيف تُقاس كثافة الألومنيوم؟

عندما نتحدث عن كثافة الألومنيوم، فإننا نعني عادةً مقدار الكتلة التي تتناسب مع حجم معين. لكن كيف يقيس المختبرات والمهندسون ذلك في الحياة الواقعية؟

تُقاس كثافة الألومنيوم باستخدام فيزياء بسيطة: قسمة كتلة العينة على حجمها. يمكن القيام بذلك باستخدام إزاحة الماء (مبدأ أرخميدس) أو أداة مختبرية تسمى مقياس الإزاحة المائية.

يبدأ قياس كثافة الألومنيوم بالفيزياء الأساسية:

مبدأ أرشميدس

تستخدم هذه الطريقة الماء لإيجاد الحجم:

1. أولاً، نزن قطعة الألومنيوم في الهواء.
2. ثم نغمرها في الماء ونسجل كمية الماء التي تزيحها.
3. بما أن كثافة الماء معلومة (1 جم/سم3)، فإن الحجم المنزاح يخبرنا بحجم الألومنيوم.

تعمل هذه الطريقة بشكل رائع مع الأشكال غير المنتظمة، مثل القِطع المصبوبة أو قذف الألومنيوم المخصص.

طريقة البايكنومتر

البايكنومتر هو دورق ذو عنق ضيق. وإليك طريقة عمله:

• نملأها بالماء ونزنها.
• بعد ذلك، نضيف قطعة الألومنيوم ونلاحظ التغير في حجم الماء.
• باستخدام أدوات دقيقة، توفر هذه الطريقة دقة عالية وهي مثالية في المختبرات البحثية.

تهدف كلتا الطريقتين إلى إيجاد شيء واحد: مدى إحكام تعبئة ذرات الألومنيوم في مساحة معينة.

الأخطاء الشائعة عند القياس:

• عدم احتساب فقاعات الهواء عند غمر العينة.
• استخدام ماء غير نقي أو ماء دافئمما قد يؤدي إلى تحريف قراءات الحجم.
• أخطاء الوزن بسبب معايرة الميزان.

كيف تقارن كثافة الألومنيوم بكثافة الفولاذ؟

غالباً ما يتنافس الفولاذ والألومنيوم وجهاً لوجه في مجال الهندسة. ولكن عندما يتعلق الأمر بالوزن، من يفوز؟

الألومنيوم أخف بكثير من الفولاذ. تبلغ كثافته حوالي 2.70 جم/سم3، بينما تبلغ كثافة الفولاذ حوالي 7.80 جم/سم3. وهذا يعني أن وزن الألومنيوم يساوي تقريباً ثلث وزن الفولاذ.

إليك مقارنة سريعة:

هذا الاختلاف يجعل الألومنيوم مثاليًا لـ

• هياكل الطائرات: وزن أقل = كفاءة أكبر في استهلاك الوقود.
• السيارات الكهربائية: أجسام أخف وزناً يعني مدى أطول.
• أنظمة الرفع والروبوتات: ضغط أقل على الأجزاء المتحركة.

ومع ذلك، فإن للصلب مزاياه أيضاً. فهو أقوى وأكثر متانة في العديد من التطبيقات. وغالباً ما يعتمد الاختيار بينهما على:

• نسبة القوة إلى الوزن
• التكلفة
• مقاومة التآكل
• القابلية للتشكيل

في صناعات مثل البناء، غالبًا ما يُستخدم الألومنيوم في إطارات النوافذ والواجهات، بينما يُستخدم الفولاذ في العوارض الهيكلية والتعزيزات.

هل تغير السبائك كثافة الألومنيوم؟

نادراً ما يُستخدم الألومنيوم النقي في التطبيقات الشاقة. وبدلاً من ذلك، نستخدم سبائك الألومنيوم. ولكن هل تؤدي إضافة معادن أخرى إلى تغيير كثافته؟

نعم، تغير السبائك من كثافة الألومنيوم - ولكن ليس كثيرًا. لا تزال معظم سبائك الألومنيوم الشائعة تقع بين 2.68 و2.85 جم/سم3.

لنلقِ نظرة على بعض السبائك المشهورة:

يحدث التباين في الكثافة عادةً بسبب:

• عناصر السبائك الأثقل مثل الزنك والنحاس.
• البنية المجهرية-كيفية تعبئة الذرات.
• المعالجة الحراريةوالتي يمكن أن تغير شكل الحبيبات المعدنية واصطفافها.

ما أهمية ذلك

بالنسبة للطائرات والقطارات عالية السرعة، كل جرام مهم. قد تعني السبيكة الأكثر كثافة زيادة الوزن واستهلاكاً أكبر للوقود. لهذا السبب يختار المهندسون السبائك التي توازن بين القوة والوزن.

ومع ذلك، بالنسبة لبعض الاستخدامات - مثل البيئات ذات الحرارة العالية أو الإعدادات المسببة للتآكل - فإن فوائد السبيكة تفوق الزيادة الطفيفة في الكثافة.

لماذا تؤثر درجة الحرارة على كثافة الألومنيوم؟

عادة ما نفكر في المعادن على أنها صلبة وثابتة. لكن الحرارة تغير كل شيء، حتى بالنسبة للألومنيوم.

عندما يتم تسخين الألومنيوم، يتمدد. ومع زيادة الحجم وبقاء الكتلة كما هي، تنخفض كثافته. التبريد له تأثير معاكس.

إليك ما يحدث:

في درجات الحرارة العالية

• وتهتز ذرات الألومنيوم أكثر وتتحرك بعيدًا عن بعضها البعض.
• هذا يزيد من الحجم.
• مع ارتفاع الحجم وعدم تغير الكتلة، تنخفض الكثافة.

في درجات الحرارة المنخفضة

• تتقلص الذرات وتقترب أكثر فأكثر.
• ينخفض الحجم.
• ترتفع الكثافة قليلاً.

تظل المعادلة كما هي:

[
\\نص{الكثافة} = \فراك{النص{النص{الكتلة}}{النص{الحجم}}
]

ولكن مع تأثير درجة الحرارة على الحجم، تتغير الكثافة أيضًا. وهذا التغير صغير ولكنه حاسم في صناعات مثل:

• الطيران والفضاء: يجب أن تتحمل الأجزاء البرودة الشديدة على ارتفاعات عالية والحرارة أثناء العودة إلى الغلاف الجوي.
• الإلكترونيات: تتمدد خافضات الحرارة المصنوعة من الألومنيوم مع ارتفاع درجة الحرارة.
• الإنشاءات: تتمدد الجسور والألواح وتتقلص يومياً.

جدول درجة الحرارة مقابل الكثافة

في التطبيقات الدقيقة، حتى التغييرات الصغيرة مهمة. غالبًا ما يأخذ المهندسون في الاعتبار معاملات التمدد الحراري عند تصميم الأجزاء.

الخاتمة

إن كثافة الألومنيوم - حوالي 2.70 جم/سم3 - تجعله أحد أكثر المعادن تنوعاً وخفة وزن في الصناعة. وعلى الرغم من تأثره بالسبائك ودرجة الحرارة، إلا أن ميزته الأساسية تظل هي: الأداء القوي مع الوزن الخفيف.