Удельный вес: физический смысл и применение¶

Удельный вес — физическая величина, численно равная отношению веса тела к его объёму. В Международной системе единиц (СИ) удельный вес измеряется в ньютонах на кубический метр (Н/м³), в технической системе — в килограмм-силах на кубический метр (кгс/м³) или килограмм-силах на кубический сантиметр (кгс/см³). Величина тесно связана с плотностью: удельный вес равен произведению плотности вещества на ускорение свободного падения.

¶Физический смысл

Вес тела — это сила гравитационного притяжения, действующая на тело со стороны Земли (или другого небесного тела). Он зависит не только от массы, но и от места расположения: на полюсах Земли вес тела примерно на 0,5 % больше, чем на экваторе, из-за разницы в ускорении свободного падения и центробежного эффекта вращения Земли. Удельный вес, как отношение веса к объёму, также зависит от величины g и потому не является строго постоянной характеристикой вещества — в отличие от плотности.

Формула расчёта:

γ = P / V = m · g / V = ρ · g,

где P — вес тела, V — объём, m — масса, ρ — плотность, g — ускорение свободного падения (в среднем 9,81 м/с² на поверхности Земли).

¶Соотношение с плотностью

Плотность — масса единицы объёма (кг/м³) — не зависит от места проведения измерения и является более универсальной характеристикой вещества. Удельный вес же привязан к конкретному значению g. На практике, однако, при стандартных условиях разница между численными значениями плотности и удельного веса невелика: при g = 9,81 м/с² удельный вес воды равен 9810 Н/м³, а её плотность — 1000 кг/м³.

В технической литературе, особенно в старых справочниках и в строительной отрасли, термин «удельный вес» нередко используется как синоним «плотности», что формально некорректно, но прочно вошло в обиход. Иногда под удельным весом понимают относительную плотность — отношение плотности вещества к плотности воды при 4 °C, величину безразмерную.

¶Единицы измерения

Переход между величинами: 1 кгс/м³ ≈ 9,81 Н/м³; 1 кгс/см³ ≈ 98,1 кПа.

¶Типичные значения

Удельный вес зависит от агрегатного состояния вещества, температуры и давления. Некоторые ориентировочные значения при нормальных условиях:

• вода — 9810 Н/м³ (1000 кгс/м³);
• ртуть — около 133 400 Н/м³;
• сталь — от 76 500 до 78 500 Н/м³;
• алюминий — около 26 500 Н/м³;
• древесина (сосна) — от 4000 до 6000 Н/м³;
• воздух — около 12,0 Н/м³;
• бетон тяжёлый — 22 000–25 000 Н/м³.

Для газов удельный вес существенно меняется при изменении давления и температуры, поэтому в газовой динамике его пересчитывают к стандартным условиям.

¶Применение

¶Строительство и геотехника

В строительной практике удельный вес грунтов, бетона, строительных смесей и засыпок — основной параметр при расчёте нагрузок на фундаменты, подпорные стенки, устойчивость откосов. Справочники строительных материалов традиционно приводят значения удельного веса в кгс/м³ или тоннах на кубический метр.

¶Гидравлика и механика жидкостей

При расчёте гидростатического давления, подъёмной силы, работы гидронасосов и трубопроводов используется именно удельный вес жидкости, а не её плотность, поскольку давление столба жидкости определяется формулой p = γ · h.

¶Машиностроение и транспорт

Знание удельного веса материалов необходимо при расчёте массы деталей, балансировке, проектировании ёмкостей и резервуаров.

¶Физика и химия

В учебной физике удельный вес вводится как пример производной величины и служит для иллюстрации связи между массой, объёмом и силой тяжести.

¶Историческая справка

Термин «удельный вес» (лат. pondus specificum) получил распространение в европейской науке в XVII веке в связи с работами по гидростатике. В русской научной традиции закрепился в трудах М. В. Ломоносова и Л. Эйлера, развивавших механику жидкостей. В XX веке, с принятием систем мер, термин постепенно вытесняется более строгим понятием «плотность», однако в инженерных отраслях — строительстве, геологии, судостроении — сохраняется повсеместно.

Источники:

• ГОСТ 8.326-2002. Государственная система обеспечения единицы измерений. Метрологическая аттестация средств измерений.
• Справочник «Физические величины» / под ред. И. С. Григорьева, Э. З. Мелихова. — М.: Айнис, 1991.
• СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».
• Справочник химика / под ред. Б. П. Никольского. — Л.: Химия, 1971.
• Франкфурт А. И. Основы общей физики. — М.: Наука, 1990.