2.2. Экспериментальные исследования.

До начала эксперимента проводим измерения величин, которые понадобятся при вычислении вязкости. Были измерены масса шарика, его размеры, угол наклона трубки, температура окружающей среды. Все измерения приведены в приложении. Получили следующие результаты:

Масса шарика: m=2.04 гр

Диаметр шарика: d=7.91 мм

Углы наклона трубки α₁=6,6^о и α₂=14^о

Температура Т=21^оС

Схема установки:

В проекции на ось х получаю:

,

откуда получаю выражение для динамической вязкости:

При выводе данной формулы использовали формулу Стокса. Но она имеет место только тогда, когда небольшой шарик падает в жидкости, причем стенки трубки далеки от шарика и течение ламинарное. В данном эксперименте шарик не падал в жидкости, а катился по трубке. Таким образом, будут иметь место краевые эффекты. То есть η_экс ≠ η_реал. Получается, что η_экс = К∙η_реал. Все краевые эффекты, возможность неламинарного течения и другие эффекты отражает коэффициент К. Для того, чтобы вискозиметр можно было применять в нахождении вязкости жидкостей, необходимо знать, как ведет себя коэффициент пропорциональности при различных вязкостях η_реал, то есть необходимо установить зависимость К(η_реал).

В ходе эксперимента исследовали жидкости: дистиллированная вода, солярка, тосол, подсолнечное масло при температуре 21^оС. Реальные вязкости этих жидкостей были измерены на ротационном вискозиметре и имеют следующие значения:

η_реал (вода) = 1,002 мПа*с

η_реал (солярка) = 5,5 мПа*с

η_реал (тосол) = 5,6 мПа*с

η_реал (масло) = 58,5 мПа*с

Далее надо найти вязкость на изготовленном вискозиметре. Измеряем время прохождения шарика между отметками описанным выше способом. Измеряем массу и размеры шарика, плотность жидкости и угол наклона трубки. Все полученные данные подставляем в формулу. Получаем следующие значения:

η_экс (вода) = 273 мПа*с

η_экс (солярка) = 347 мПа*с

η_экс (тосол) = 371 мПа*с

η_экс (масло) = 2604 мПа*с

Все значения величин, используемых при расчетах, приведены в приложении. Также на основе измерений можно сказать, что течение в трубе было ламинарным, так как число Рейнольдса Re =2300. Критическое число Рейнольдса Re(кр) ≈ 5000-20000.

На основании расчетов можно определить коэффициент К и построить график зависимости К(η_реал).

ηреал / мПа*с	ηэкс / мПа*с	К
1,002	273	272,4551
5,500	347	63,09091
5,600	371	66,25
58,500	2604	44,51282

Также в ходе эксперимента была установлена зависимость экспериментальной вязкости жидкости от температуры. Эксперимент проводился на тосоле. График зависимости вязкости от температуры представлен на графике η(Т):

2.3. Анализ результатов

Поскольку коэффициент пропорциональности (К) между реальной и экспериментально измеренной вязкостью жидкости не постоянен, то необходимо делать поверку вискозиметра для большого диапазона значений вязкости. Когда поверка будет сделана, тогда будет возможно использовать данный прибор по назначению. На данный момент прибор нельзя использовать для определения вязкости.

Важно отметить достоинства данного прибора. При использовании ротационного вискозиметра для получения данных необходимо ждать некоторое время. Данный прибор позволяет почти мгновенно получать значение вязкости. Если использовать определенный шарик и определенную трубку, то необходимо лишь иметь перед собой значения коэффициента К.

Последовательность действий для измерения вязкости жидкости на данном вискозиметре:

1. Пускаем шарик, измеряем интервал времени.

2. Измеряем плотность жидкости.

3. Подставляем значения плотности жидкости и времени в формулу и получаем необходимое значение вязкости.

Также одним из важных достоинств прибора является малая погрешность. В установке она составляет 2,5%. Если изготавливать данный прибор на производстве, то возможно достичь погрешности порядка 0,5-1% за счет того, что сделать шарик больше размерами и точнее определить массу шарика.

К сожалению, у данного прибора есть и недостатки. Оптический датчик не реагирует на темные высоковязкие жидкости (отработанное машинное масло). Возможный путь преодоления этой проблемы – включать в схему оптического датчика излучающий ИК диод высокой мощности. Ещё одним затруднением является трудоемкость в поверке. Необходимо для поверки использовать множество жидкостей различной вязкости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы были применены знания из таких областей физики как кинематика, динамика, молекулярная физика, электричество. Главная цель эксперимента – сконструировать вискозиметр, достигнута. Произведена частичная поверка вискозиметра. Были установлены физические закономерности процессов и преодолены трудности в измерении вязкости жидкости. Выявлена нелинейная зависимость коэффициента пропорциональности К от значения вязкости жидкости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Евдокимов И.Н., Елисеев Н.Ю. Молекулярные механизмы вязкости жидкости. Часть 1. Основные понятия. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2005. – 59 с.

2.Определения вязкости жидкости методом Стокса: методические указания / сост. С.С. Никулин, А.С. Чех. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – 12 с.

3.А.С. Романов, А.В. Семиколенов, С.Н. Тараненко, А.П. Шахорин. «Идеальная и вязкая жидкости»

4.Д.В. Сивухин «Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика»

5.И.В. Савельев «Курс физики. Том 1. Механика. Молекулярная физика»

6.http://ru.wikipedia.org/wiki/Вискозиметр

7.http://www.viskozimetr.ru/

8.http://www.platan.ru/shop/(элементы для электрической схемы, диод и фототранзистор)