65

Лабораторная работа № 1.7 определение коэффициента внутреннего трения (вязкости) жидкости капиллярным вискозиметром

Мотивационная характеристика темы. Жидкие среды составляют наибольшую часть организма, их перемещение обеспечивает обмен веществ и снабжение клеток кислородом, поэтому механические свойства и течение жидкостей представляют особый интерес для медиков и биологов.

Вязкость крови человека в норме 0,4 - 0,5 Па с , при патологии колеблется от 0,17 до 2,29 Па с, что сказывается на скорости оседания эритроцитов (СОЭ). Венозная кровь обладает несколько большей вязкостью, чем артериальная. При тяжелой физической работе увеличивается вязкость крови. Некоторые инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие же, например брюшной тиф и туберкулез, - уменьшают. В поликлинической лабораторной практике определение вязкости крови является распространенным анализом при диагностике заболеваний.

Цель лабораторной работы:

Изучить законы течения вязкой жидкости и физические основы методов вискозиметрии. Освоить относительный метод определения вязкости жидкости с помощью капиллярного вискозиметра.

К работе необходимо:

Знать	Уметь
Особенности молекулярного строения жидкости Условия ламинарного и турбулентного течения жидкости. Число Рейнольдса. Вязкость жидкости. Уравнение Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Формулу Пуазейля. Методы определения вязкости жидкости.	1.Пользоваться капиллярным вискозиметром. 2.Обьяснить причины от которых зависит вязкость жидкости. 3.Обьяснить особенности течения крови как неньютоновской жидкости.

Литература:

1.А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М., 1999, Гл. 9.

1. А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М., 1987, Гл.9

2. А.Н.Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики. М.,1982, Гл.14.

3. И.А.Эссаулова и др. «Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике», М., 1987, лб.14.

Контрольные вопросы для определения исходного уровня знаний

1.В чем заключаются особенности молекулярного строения жидкостей ?

2.Дать определение понятиям - ньютоновская и неньютоновская жидкости. Почему кровь является неньютоновской жидкостью ?

3.Каковы лсобенности течения вязкой жидкости по трубам. Запишите и поясните формулу Пуазейля.

3.В чем отличие ламинарного и турбулентного течения жидкости ?

4.Рассказать о известных Вам методах определения вязкости жидкости.

Краткая теория

При течении реальной жидкости отдельные ее слои воздействуют друг на друга с силами, касательными к слоям и тормозящими ее движение. Это явление называется внутренним трением или вязкостью.

Внутреннее трение обусловлено молекулярной природой вещества. Молекулы слоя, движущегося более быстро, переходят в слой, движущийся медленно, и передают при этом ему некоторую часть количества движения. Молекулы же слоя, движущегося медленнее, при переходе в более быстрый слой тормозят его движение, уменьшая среднее количество движения молекул.

В случае установившегося слоистого течения вязкой жидкости (ламинарного или безвихревого течения), сила внутреннего трения между двумя слоями жидкости равна:

,

где: S - площадь соприкосновения слоев;

du/dx - градиент скорости движения слоев в направлении, перпендикулярном направлению движения;

h- коэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость данной жидкости, зависящая от ее природы и состояния.

Единицей вязкости в системе «СИ» является Паскаль-секунда (Па·с.). Это вязкость такой жидкости, которая оказывает взаимному перемещению двух слоев площадью 1 м² каждый, удаленных на 1 м друг от друга и движущихся друг относительно друга со скоростью 1 м/с, силу сопротивления в 1 Н.

Течение вязкой жидкости по трубам представляет для медицины определенный интерес, так как кровеносная система состоит в основном из цилиндрических сосудов разного диаметра.

Самый близкий к стене слой жидкости неподвижен. Наибольшей скоростью обладают частицы жидкости, движущиеся вдоль оси трубы. Максимальная скорость равна:

u_max=(P₁ - P₂) R²/ 4hl,

где: Р₁ и Р₂ - давление на концах трубы;

R - радиус трубы;

l- длина трубы;

h - динамическая вязкость жидкости.

Объем жидкость, протекающей через горизонтальную трубу за 1 с., зависит от скорости течения жидкости и определяется формулой: , которая называется формулой Пуазейля. Согласно этой формуле, объем жидкости, вытекающей за некоторое время определяется как V= Q t, .

Используем эту формулу для вертикальной трубы, из которой жидкость вытекает под действием силы тяжести. В этом случае Р₁ - Р₂ = rgh (где r - плотность жидкости) и выражение принимает вид:

.

Если при определении вязкости исследуемой жидкости с помощью капиллярного вискозиметра объемы исследуемой и эталонной жидкостей, вытекающих из одного и того же капилляра равны, отсюда или , где

r_х - плотность исследуемой жидкости;

t_x - время вытекания исследуемой жидкости;

h_о, r_о, t_o - аналогичные характеристики эталонной жидкости.