![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
Федеральное агентство по образованию
Волгоградский государственный технический университет
Кафедра “Экспериментальная физика”
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ
ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА
Методические указания
к лабораторной работе №205
Волгоград
2009
УДК 53 (075)
Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса: метод. указ. к лабораторной работе №205 / сост.: И.А. Плешаков, В.К. Михайлов; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2009. – 12 с.
Cодержат основные сведения и рекомендации по выполнению лабораторной работы №205, представленной в практикуме кафедры “Экспериментальная физика” Волгоградского государственного технического университета.
Предназначены для студентов всех форм обучения.
Ил. 4. Табл. 2. Библиогр.: 3 назв.
Рецензент: кандидат физико-математических наук,
доцент кафедры «Физика»
Волгоградского государственного технического университета
Поляков И.В.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета
© Волгоградский государственный технический университет, 2009
О
ПРЕДЕЛЕНИЕ
КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ
ПО МЕТОДУ СТОКСА
1. Цель работы
Определить коэффициент внутреннего трения жидкости по методу Стокса и вычислить число Рейнольдса.
2. Содержание работы
Вязкость или внутреннее трение – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой [1, 2, 3].
Для рассмотрения
механизма вязкости жидкости представим
себе две пластины, разделённые
плоскопараллельным слоем жидкости
(рис. 1). Верхнюю пластину приведём в
движение со скоростью
относительно нижней. Мысленно разобьём
жидкость на тончайшие слои. Слой жидкости,
прилегающий непосредственно к верхней
пластине, благодаря силам межмолекулярного
взаимодействия прилипает к ней и движется
вместе с пластиной. Слой жидкости,
прилипшей к нижней пластине, остаётся
вместе с нею в покое. Остальные слои
перемещаются, скользя друг по другу, со
скоростями тем большими, чем больше их
расстояние от нижнего слоя. Вязкость
жидкости проявляется в возникновении
силы, препятствующей относительному
перемещению соприкасающихся слоёв
жидкости.
Рис. 1. К вопросу о механизме вязкости жидкости |
Если слои жидкости движутся с различными скоростями, то наряду с силами взаимодействия между слоями молекул, смещающимися друг относительно друга, дополнительно возникает обмен количеством движения между ними в результате беспорядочного движения молекул. Молекулы, переходящие из слоя, обладающего большей скоростью, в слой, перемещающийся медленнее, увеличивают суммарное количество движения во втором слое, и, наоборот, молекулы, переходя из второго слоя в первый, уменьшают его суммарное количество движения. Взаимный обмен количеством движения и взаимодействие молекул создают внутреннее трение в жидкости. В газах внутреннее трение создаётся главным образом благодаря обмену количеством движения.
Сила внутреннего трения направлена по касательной к поверхности слоёв, а модуль её определяется по формуле Ньютона:
,
где
– коэффициент пропорциональности,
зависящий от природы и состояния жидкости
(например, температуры) и называемый
коэффициентом внутреннего трения;
– градиент скорости, показывающий, как
быстро меняется модуль скорости при
переходе от слоя к слою в направлении
перпендикулярном
направлению
движения слоёв (см. рис. 1);
– площадь поверхности скользящих друг
по другу слоёв.
Величина коэффициента вязкости меняется в зависимости от температуры. Вязкость газов с ростом температуры увеличивается, жидкостей уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается подвижность молекул и обмен количеством движения между слоями газа. В жидкости этот обмен играет относительно меньшую роль, а межмолекулярное взаимодействие при повышении температуры и увеличении подвижности молекул ослабевает.
Единица вязкости в СИ паскаль–секунда (Па·с). 1 Па·с равен вязкости среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости с модулем, равным 1м/с на 1 м, возникает сила внутреннего трения в 1 Н на 1 м2 поверхности касания слоёв (1 Па·с = 1 Н·с/м2).
Течение жидкости называется ламинарным (слоистым), если вдоль потока каждый выделенный тонкий слой скользит относительно соседних, не перемешиваясь с ними, и турбулентным (вихревым), если вдоль потока происходит интенсивное вихреобразование и перемешивание жидкости (газа).
Ламинарное движение жидкости наблюдается при небольших скоростях её движения.
Характер течения жидкости (газа) зависит от безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса
,
где
– плотность жидкости (газа);
– средняя (по сечению трубы) скорость
жидкости;
– характерный для поперечного сечения
линейный размер, например, радиус трубы;
– кинематическая вязкость.
При малых значениях
числа Рейнольдса (
≤1000)
наблюдается ламинарное течение, переход
от ламинарного течения к турбулентному
происходит в области 1000≤
≤2000,
а при
= 2300 (для гладких труб) течение –
турбулентное. Если число Рейнольдса
одинаково, то режим течения различных
жидкостей (газов) в трубах разных сечений
одинаков.
В данной работе определяется коэффициент внутреннего трения жидкости по методу Стокса. Вычисляется число Рейнольдса и проводится заключение о характере течения жидкости.