Студентам НДб-14 Физика Ч.1 / Lab23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2-3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА

Цель работы: Изучение внутреннего терния (вязкости) в жидкости.

Содержание работы:

1. Ознакомление с методом Стокса для исследования вязких свойств жидкости.

2. Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: микрометр, весы, секундомер, миллиметровая линейка, цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью, набор шариков, ареометр.

1. Постановка экспериментальной задачи.

1. Явление переноса. Внутреннее трение. зависимость коэффициента внутреннего трения жидкости от температуры и давления.

явление переноса – это группа процессов, связанных с неоднородностями плотности, температуры или скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев веществ. Выравнивание неоднородностей приводит к возникновению переноса.

В явлениях переноса в газе и жидкости имеет место упорядоченный перенос массы (диффузия), импульса (внутреннее терние) и внутренней энергии (теплопроводность).

Внутреннее трение (вязкость) в жидкости проявляется в возникновении внутренней силы, препятствующей относительному сдвигу соприкасавшихся слоев жидкости. при ламинарном течении (т.е. без завихрений) сила внутреннего трения равна

, (1)

где - модуль градиента скорости вдоль нормали к слоям (изменение скорости , отнесенное к расстоянию между слоями в направлении перпендикулярном скорости),

- элементарная площадь поверхности соприкосновения слоев,

- коэффициент внутреннего трения (динамической вязкости) жидкости.

Из формулы (1) вытекает следующий физический смысл коэффициента внутреннего трения: коэффициент внутреннего трения численно равен силе внутреннего трения между слоями вещества с единичной площадью поверхности соприкосновения при градиенте скорости, равном единице.

Для жидкостей, которые подчиняются уравнению (1) коэффициент вязкости не зависит от скорости. Такие жидкости называются Ньютоновскими жидкостями: жидкости, которые не подчиняются уравнению (1), называются неньютоновскими.

Коэффициент внутреннего трения жидкости заметным образом зависит от температуры:

~ (2)

где - энергия активизации – энергия, которая требуется частице, чтобы перейти из одного равновесного положения в другое.

В области низких температур, когда , вязкость жидкости уменьшается при повышении температуры (в противоположность газам). Однако при достаточно больших температурах, когда (при вязкость как это видно из (2), имеет минимум), вязкость начинает возрастать с температурой, так же, как в случае газов.

При больших давлениях вязкость жидкостей быстро растет с увеличением давления. Это происходит за счет увеличения энергии активации и соответствующего возрастания времени релаксации (среднего времени «оседлого» пребывания молекулы жидкости вблизи некоторого положения равновесия).

2. теория метода и описания установки

На поверхности движущегося в смачивающей жидкости тела образуется тонкий слой жидкости, который удерживается силами молекулярного притяжения. Этот слой, перемещаясь вместе с телом, взаимодействует с соседним слоем жидкости, который в свою очередь взаимодействует с соседним с ним слоем и так далее. происходящий процесс называется внутренним трением (вязкостью), который обуславливает силу сопротивления при движении тела в жидкости.

На шарик радиусом падающий в жидкости вертикально со скоростью кроме силы сопротивления, эмпирически установленной Дж.Стоксом: , действует сила тяжести ( - масса шарика и - плотность вещества шарика) и сила Архимеда

, где

- масса жидкости, вытесненная шариком;

- плотность жидкости.

При прямолинейном равномерном движении (между метками А и В Рис.1) равнодействующая сил, приложенных к шарику, равна нулю

(3)

Выражение (3) в проекции на ось проекции (см.рис.1) имеет вид

или

откуда, с учетом, что ( - диаметр шарика)

(4)

Для определении коэффициента внутреннего трения по методу Стокса берут высокий цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью (Рис.1). на сосуде имеются две кольцевые метки А. и В. Метка А соответствует той высоте, где силы, действующие на шарик, уравновешивают друг друга и движение становится равномерным. Нижняя метка В предназначена для удобства отсчета времени.

Опуская шарик в сосуд, отмечают по секундомеру время прохождения шариком расстояния между метками. Так как ,

Плотность вещества шарика равна , где - масса и - объем шарика, равный , где - диаметр шарика.

Тогда

(6)

Формулы (5), (6) являются расчетными в данной работе.

2. порядок выполненгия работы

1. Измерить микрометром диаметр шарика пять раз, вычислить среднее арифметическое значение шарика. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1

Таблица 1

	, (мм)	, (мм)	, (мм)
1
2
3
4
5
=

2. Определить массу шарика с помощью аналитических весов вычислить по формуле (6) плотность вещества шарика (подставляя в (6) среднее значение диаметра шарика). Результаты измерений массы и вычисления плотности занести в таблицу 2.

Таблица 2

мг кг/м3 г/см3 мм м/с2	Номер шарика	, с	,
	1 2 3

3. Опуская шарик в сосуд с исследуемой жидкостью так, чтобы он двигался по оси цилиндра, с помощью секундомера измерить время прохождения шариком расстояния между кольцевыми метками и (рис. 1). Результат измерения занести в таблицу 2.

4. Определить с помощью ареометра плотность исследуемой жидкости.

5. Измерить с помощью миллиметровой линейки расстояние метками и .

6. Вычислить коэффициент внутреннего трения жидкости по формуле (5).

7. Результаты измерений (,) и вычисления () занести в таблицу 2.

8. Повторить пункты ΙΙ.Ι. (измерение диаметров ), ΙΙ.ΙΙΙ. (измерение ) и пункт ΙΙ.VΙ. (вычисление ) еще для двух шариков.

Результаты измерений и вычислений занести в таблицы 1, 2 и найти среднее арифметическое значение коэффициента внутреннего трения.

3. требования к отчету

1. Отчет должен содержать:

1. Перечень приборов (с их характеристиками), перечень принадлежностей.

2. Схему установки.

3. Расчетные формулы (5) (6)

4. Результаты измерений и вычислений (в таблицах).

5. Расчет плотности вещества шарика, расчет одного из коэффициентов внутреннего трения ( или ).

4. контрольные вопросы

1. Цель и содержание работы.

2. Какие процессы называются явлениями переноса? в чем суть внутреннего трения (вязкости)?

3. Написать уравнение для силы внутреннего трения и объяснить буквенные обозначения? Что такое ньютоновская и неньютоновская жидкости?

4. Какой физический смысл коэффициента внутреннего трения? как он зависит от температуры и давления в случае жидкости?

5. Какие силы действуют на шарик, падающий в жидкость? Каким должно быть движение шарика, чтобы можно было использовать расчетную формулу (5?

6. Вывести формулу (5 для определения коэффициента вязкости жидкости по методу стокса.

7. Рассказать порядок выполнения работы.

5. литература

1. Яворский Б.М., Дятлаф А.А. «Справочник по физике» Наука, 1985, с. 140-141

2. Трофимова Т.И. “Курс физики”, 1985, с. 50-52

3. Лабораторный практикум по физике под редакцией Ахматова А.С. М, Высш.шк., 1980, с. 100-103