Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Определение коэффициента вязкости по методу Стокса






 

Цель работы: научиться опытным путем определять вязкость жидкости.

Приборы и принадлежности: сосуд с наполненной вязкой жидкостью, шарик, микрометр, весы, секундомер, линейка.

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

1. Теорию внутреннего трения жидкости.

2. Явление переноса.

3. Закон Ньютона.

4. Закон Стокса.

5. Теорию метода и принцип работы установки.

6. Вывод формулы.

где m – масса шарика, Д - диаметр шарика, r – плотность жидкости r=900кг/м3, l – расстояние, проходимое шариком за время t. Все измерения и вычисления производятся в системе СИ.

ИЗМЕРЕНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ:

1. Записать комнатную температуру t0C по показанию комнатного термометра.

2. Измерить диаметр шарика микрометром, измерения проводятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

3. Определить на весах массу шарика.

4. Проверить установку колец, а при необходимости установить их соответствие с требованиями описания, верхнее кольцо устанавливается на расстоянии 5 см ниже уровня жидкости.

5. Опустить шарик в жидкость и в момент прохождения второго кольца выключить секундомер. Записать время равномерного движения шарика.

Опыт проделать три раза.

6. Изменяя расстояние между кольцами, опыт повторяют три раза.

7. Записать данные измерений в таблицу.

8. Обработать результаты измерений.

9. Сделать соответствующие выводы по работе и ответить на контрольные вопросы.

 

m Д l t h hср s f %
1. 2. 3.                

ОПИСАНИЕ К РАБОТЕ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ:

Всем реальным жидкостям и газам присуща вязкость (внутреннее трение). Макроскопическое движение, возникающее в жидкости или газе, постоянно уменьшается из-за сил внутреннего трения, после прекращения действия причин (сил), вызывающих это движение. Явление вязкости в жидкостях и газах можно рассматривать следующим образом. Пусть два слоя жидкости или газа, отстоящие друг от друга на расстоянии (dx), имеют скорости (v1) и (v2). Со стороны слоя, который движется быстрее, на слой, который движется медленнее, действует ускоряющая его сила. Наоборот, на быстрый слой действует тормозящая сила со стороны медленного слоя. Эти силы, направленные по касательной к поверхности слоя, называются силами внутреннего трения. Они тем больше, чем больше площадь соприкасающихся слоев, и зависят от изменения скорости течения жидкости (газа) при переходе от слоя к слою:

Где – изменение скорости, отнесенное к расстоянию между слоями в направлении перпендикулярном скорости (градиент модуля скорости), (S) – площадь соприкосновения слоев, (h) - вязкость жидкости или газа, численно равная силе трения, возникающей между слоями жидкости или газа на единичной площади при градиенте скорости, равном единице.

Выражение (1) называется уравнением Ньютона.

Для жидкостей, течение которых подчиняется уравнению (1), вязкость не зависит от градиента скорости. Такие жидкости называются Ньютоновскими, а вязкость нормальной. Жидкости, не подчиняющиеся уравнению (1), называются не Ньютоновскими, а их вязкость – аномальной.

К не Ньютоновским относятся жидкости, состоящие из сложных и крупных молекул, например, растворы полимеров. Не Ньютоновской жидкостью является кровь, т.к. содержит белки и клетки крови, представляющие собой структурные образования. Вязкость крови человека обычно колеблется от 4 до 5 сП, а при патологии может изменяться от 1, 7 до 22, 9 (санти Пуаз). Вязкость крови имеет диагностическое значение. При некоторых инфекционных заболеваниях вязкость крови увеличивается, а при туберкулезе, например, уменьшается.

Вязкость зависит от природы жидкости или газа, от температуры, от давления при низких температурах. Вязкость газов увеличивается при повышении температуры, жидкостей – уменьшается. Различный характер зависимости жидкостей и газов от температуры указывает на различный механизм их внутреннего трения. Изменение скоростей движения соседних слоев газа можно объяснить тем, что из слоя газа, движущегося с большей скоростью, переносится количество движения в слой, у которого скорость меньше, и наоборот.

В жидкостях внутреннее трение обусловлено действием межмолекулярных сил. Расстояния между молекулами жидкости сравнительно невелики, а силы взаимодействия значительны. Молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, колеблются около положения равновесия, но эти положения не являются постоянными. Это время называется временем ''оседлой жизни'' молекулы. Среднее время ''оседлой жизни'' молекул называется временем релаксации (t). С повышением температуры и понижением давления время релаксации уменьшается, что обуславливает подвижность жидкости и её малую вязкость.

Зависимость вязкости жидкости от температуры имеет сложный характер. Чем чаще молекулы меняют свои положения равновесия, тем более текуча и менее вязка жидкость, т.е. вязкость жидкости прямо пропорциональна времени релаксации: h~t

При движении тела в вязкой жидкости возникают силы сопротивления. Происхождение этого сопротивления двояко. При небольших скоростях, когда за телом нет вихрей, сила сопротивления обуславливается вязкостью жидкости. Слой жидкости, прилегающие к телу, увлекаются им. Между этими слоями и следующими возникают силы трения.

Второй механизм сил сопротивления связан с образованием вихрей. Часть работы, совершаемой при движении тел в жидкости, идет на образование вихрей, энергия которых переходит в теплоту. Коэффициент вязкости может быть определен методом падающего шарика в вязкой жидкости (метод Стокса). На шарик свободно падающий в жидкости, действуют силы: (Р) – сила тяжести, (Fc) – сила сопротивления, (FА) – выталкивающая сила или сила Архимеда.

По закону Стокса сила сопротивления возрастает с увеличением скорости движения тела:

Fc = 6. π . R. h. υ,

где (υ) – скорость движения, (h) – коэффициент вязкости, (R) – радиус движущегося шарика. Так как в начале движения (υ) очень маленькая, то Fc – также малая величина и в начале пути происходит увеличение скорости, а следовательно, и Fc. Это продолжается до тех пор, пока не наступит равновесие сил, действующих на шарик:

Р = F1 + F2

Начиная с того момента, шарик движется равномерно и вступает в действие закон Стокса (равномерное движение практически наступает через 5-6 см пути в глицерине). Чтобы измерить скорость равномерного движения, на цилиндр с жидкостью устанавливают два кольца, причем верхнее кольцо устанавливают на 5-6 см ниже уровня жидкости. Зная расстояние между кольцами и время движения шарика между ними, определяют скорость движения шарика (υ), т.к. Fc = 6. π . R. h. υ = 3. π . h. D. υ; Fа = r. g. V.

(r) – плотность жидкости, (V) – объем тела, (D) – диаметр шарика.

Так как V = 1/6 π . D3 то равенство можно записать так: mg = 3. π . h. D. υ + 1/6 π . D3r g






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.