Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса.
Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса.
Цель работы: экспериментальное определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса.
Приборы, принадлежности и материалы: сосуд с исследуемой жидкостью, стальной
шарик, секундомер, микрометр, денсиметр,
линейка.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
ЛАМИНАРНОЕ И ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ
Наблюдается два вида течение жидкости (газа). В одних случаях жидкость как бы разделяется на слои, которые скользят друг относительно друга, не перемешиваясь. Такое течение называется л а м и н а р н ы м (слоистым). Частицы жидкости в ламинарном потоке не переходят из одного слоя в другой. Ламинарное течение стационарно. При чем для него характерно то, что каждый слой движется с какой-то определенной скоростью υ. При небольших скоростях течения жидкости по трубе наблюдается ламинарное течение. Характер изменения скорости течения с расстоянием от оси трубы изображен на рис.1
Рис.1 Рис.2
Ламинарное течение Турбулентное течение
При увеличении скорости потока характер течения существенно изменяется. Возникает энергичное перемешивание жидкости, в результате чего внутри жидкости появляются вихри - турбулентности. Такое течение называется т у р б у л е н т н ы м. «Профиль» скоростей внутри турбулентного потока изображен на рис.2. При турбулентном течении скорость в каждой точке сечения трубы приобретает некое значение. И только вблизи стенок скорость несколько изменяется.
ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ
Вследствие того, что ламинарный поток как бы расслаивается, и каждый слой движется с определенной скоростью, то в процессе движения между слоями возникает трение, которое применительно к жидкостям и газам называется внутренним трением.
Внутренне трение характеризуется коэффициентом, который называется динамической вязкостью.
Динамическая вязкость обозначается греческой буквой η («эта») и измеряется в системе СИ в Паскалях-секунда: [η]=Па·с.
Свойства динамической вязкости:
· вязкость жидкостей резко уменьшается с повышением температуры жидкости;
· вязкость газов наоборот резко увеличивается с повышением температуры газа.
Кроме динамической вязкости, применяется еще понятие кинематической вязкости −
это отношение динамической вязкости к плотности среды (жидкости или газа):
.
Единица измерения кинематической вязкости: [ν]= м2/с (иногда эту единицу измерения называют «Стоксом»: 1 Ст= 1 м2/с).
ЗАКОН СТОКСА
Стокс установил следующую закономерность: для тела, находящегося в ламинарном потоке, сила сопротивления среды пропорциональна коэффициенту динамической вязкости η, скорости υ движения тела относительно жидкости и характерному размеру тела l.
Если тело имеет сферическую форму, то сила сопротивления потока будет равна:
Fc=6πηrυ.
где r– радиус тела,
υ – относительная скорость тела (потока).
Как и любая другая сила трения, Fc всегда направлена в сторону противоположную движению тела.
МЕТОД СТОКСА
На законе Стокса основано определение вязкости жидкости вискозиметром Гёпплера: в трубку определенногодиаметра, заполненную жидкостью, вязкость которой надо определить, опускают шарик и измеряют скорость его падения, которая и является мерой вязкости жидкости. Этот метод измерения вязкости называется методом Стокса и именно его мы будем применять в данной лабораторной работе.
На металлический шарик массой m падающий в вязкой жидкости, действуют следующие силы (рис.3):
- сила тяжести, направленная вертикально вниз: F = mg = ρтVg = .
- сила Архимеда, направленная вертикально вверх: FАр = ρжVg = .
- сила сопротивления движению шарика, обусловленная силами внутреннего трения и равная (согласно закону Стокса):
Fс=6πrηv,
Рис.3 где v – скорость движения шарика, g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения,
V = - объем шарика с радиусом r,
ρт – плотность материала шара,
1 ρж – плотность жидкости.
Уравнение движения тела: F = FА + Fс.
Тогда: ,
Откуда: . Поскольку , то .
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса.
Цель работы: экспериментальное определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса.
Приборы, принадлежности и материалы: сосуд с исследуемой жидкостью, стальной
шарик, секундомер, микрометр, денсиметр,
линейка.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Измерить диаметр шарика и определить его радиус r.
2. Измерить денсиметром плотность жидкости ρж.
3. Измерить температуру жидкости tºC.
4. Опустить шарик в жидкость и одновременно измерить секундомером время t прохождения шариком двух меток.
5. Измерить расстояние 1 между метками.
6. Опыт повторить 3 раза.
7. По формуле вычислить три значения коэффициента вязкости: η1, η2, η3.
8. Определить среднее значение коэффициента вязкости: ηср= .
9. Определить абсолютную погрешность опыта: ; ;
10. Определить среднее значение абсолютной погрешности:
11. Определить относительную погрешность опыта:
12. Определить кинематическую вязкость жидкости: .
13. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:
№
| r
| ρт
| ρж
| l
| t
| η
| ηср
| |Δη|
| Δηср
| ε
| ν
| 10-3 м
| кг/м3
| м
| с
| Па·с
| %
| м2/с
| 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 2.
|
|
|
| 3.
|
|
|
|
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Что такое вязкость? Какова причина вязкости?
2. От чего зависит вязкость? В чем отличие вязкости жидкости от вязкости газов?
3. Закон Стокса (формулировка и формула)
4. Какие силы действуют на шарик, падающий в жидкости, и как они направлены?
ЗАДАЧИ:
1. Какую максимальную скорость будет кметь дождевая капля диаметром d= 0,5 см, если динамическая вязкость воздуха η=1,2·10-5 Па·с? (Плотность воды считать равной ρ=103 кг /м3).
2. Пробковый щарик всплывает в сосуде с глицерином. Чему рамен діаметр шарика, если известно, что шарик всплывает с постоянной скоростью υ=2 см/с, а динамическая вязкость глицерина в условиях опыта равна η = 1,48 Па·с? плотность пробки ρ1=200 кг/м3, а плотность глицерина ρ2=1200 кг/м3.
3. Шарик всплывает с постоянной скоростью в жид кости, плотность которой в 4 раза більше плотности шарика. Во сколько раз сила внутреннего трения жид кости Fс, которая действует на шарик, більше силы тяж ести?
РАБОЧИЙ ЛИСТ
Ф.И.О:____________________________ группа__________ дата ___________
Вариант № ____
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|