14.1 Цель работы:

- ознакомиться с устройством и работой лабораторной установки для определения динамической вязкости материалов;

- определить динамическую вязкость у студнеобразных материалов на лабораторной установке.

14.2 Общие теоретические сведения

14.2.1 Понятие студни и их свойства

Студни занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими телами. С одной стороны, они как жидкости характеризуются текучестью и, следовательно, вязкостью, а с другой - при малых механических напряжениях они ведут себя как твердые тела. Для перехода их из состояния твердого в состояние жидкого тела в них должно возникать механическое напряжение, превышающее напряжение смятия. Значение этого напряжения является одним из основных показателей состояния студня.

Свойства студня как жидкости характеризуются его вязкостью. Вязкость материала является одним из основных показателей его структуры, и поэтому контроль вязкости позволяет косвенно судить о состоянии этой структуры. Кроме того, вязкость позволяет судить о механических и в том числе реологических свойствах материала: его прочности, текучести и т.д.

Динамическая вязкость  является коэффициентом пропорциональности в формуле (19) силы внутреннего трения:

, н (19)

где dv/dl — градиент скорости;

S — площадь поверхностного слоя, на которую рассчитывается сила внутреннего трения;

dim  = L^-1 M T ^-1, ( Pa·s; Па·с).

Динамическая вязкость, равная Паскаль – секунде, соответствует вязкости среды, касательное напряжение в которой при ламинарном течении и при градиенте скоростей слоев по нормали к направлению скорости 1 1/с, равно 1 Па.

Кинематическая вязкость  — величина, равная отношению динамической вязкости среды к её плотности, определяется по формуле:

(20)

dim  = L² T^-1, (m²/s; м²/с).

Квадратный метр на секунду равен кинематической вязкости среды с динамической вязкостью 1 Па·с и плотностью 1 кг /м³.

В зависимости от материала значения вязкости могут изменяться в очень широких пределах, так например, при температуре 35 С динамическая вязкость для спирта составляет 0,001, а для канифоли - 10⁷–10⁹ Пас. Вследствие такого широкого диапазона значений вязкости нет приборов, позволяющих измерять вязкость во всем диапазоне её возможных значений. Для студней значения динамической вязкости лежат обычно в пределах 10³–10⁷ Пас., метод её измерения, применяемый в лабораторной работе по курсу “Физика” (в жидкость падает шарик), не подходит, так как шарик в студне под собственным весом может вообще не опускаться (не падать). Поэтому для определения вязкости студней следует применять тело, перемещающееся в студне под воздействием внешней силы.

В используемом методе измерения в качестве такого тела используется проволока, то есть цилиндрическое тело. В этом случае значение динамической вязкости может быть определено из формулы:

, (21)

где k_Ц – коэффициент пропорциональности;

l_Ц – длина цилиндра, мм;

d_Ц – диаметр цилиндра, мм;

d₀ – образцовый диаметр (d₀ = 1 мм);

 – динамическая вязкость, Пас;

V – скорость движения цилиндра, м/с.

Кроме силы F_C, затрачиваемой на преодоление вязкого трения, для движения проволоки в студне надо приложить силу, затрачиваемую на преодоление усилия смятия F_CМ, и силу, компенсирующую силу выталкивания проволоки из студня в соответствии с законом Архимеда. Поэтому для движения проволоки необходимо приложить силу:

, (22)

где

, (23)

где _С – плотность материала среды;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

V – объём цилиндра, м³.