Опис приладу

Динамометр типу ДПН (рис. 22) складається з корпусу 3, всередині якого розміщена вимірювальна пружина 5, яка має прямий кінець з відкритим гачком 7. Гачок служить для з’єднання петлі 8 з вимірювальною пружиною динамометра. Для відліку показів по шкалі на вимірювальній пружині закріплена стрілка 6. Досліджувана рідина наливається в скляну чашу 9.

Рис. 22

Для вимірювання поверхневого натягу дротяну петлю повністю занурюють в рідину, а потім повільно витягують з рідини. При цьому на петлі утворюється плівка. Коли сила пружності пружини динамометра стане рівною за модулем силі поверхневого натягу , плівка розривається.

Порядок виконання роботи

1. Підготуйте прилад для виконання вимірювань. Для цього надіньте на відкритий гачок 7 петлю 8 (див. рис. 22, рис. 23). Притримуючи настановний гвинт 1, відверніть стопорний гвинт 2. Обертаючи циліндр 4 і тиснучи на голівку гвинта 1, встановіть стрілку на нульову поділку шкали.

2. Налийте в чашу 9 воду і встановіть її на підставку 10. Обертаючи гвинт тримача 11, підніміть чашу з рідиною до такого рівня, щоб петля повністю занурилась у воду.

Рис. 23

3. Повільно опускайте чашу з водою. Для цього викручуйте гвинт тримача 11 доти, поки не розірветься плівка рідини, яка тягнеться за петлею. Саме в цей момент якнайточніше зафіксуйте покази динамометра.

4. Обчисліть поверхневий натяг за формулою (12.4).

5. Для кожної довжини петлі визначте коефіцієнт поверхневого натягу.

6. Оцініть точність результатів вимірювання.

Контрольні запитання

1. Що таке коефіцієнт поверхневого натягу?

2. Чому при відсутності зовнішніх сил крапля рідини набуває форми сфери?

3. Чому вимірювання модуля сили поверхневого натягу води поводилось не з прямолінійним відрізком дротини, а з петлею, яка має П – подібну форму?

4. З формули (12.2) , а за формулою (12.1) . Дайте фізичне тлумачення в обох випадках.

5. Чотири дрібних сферичних краплі ртуті злилися в одну. Як змінилася вільна енергія поверхневого шару (використайте формулу (12.2)). Куди витрачена ця зміна енергії? Виконайте математичні розрахунки.

6. Дайте приклади врахування та використання сил поверхневого натягу в природі, побуті і техніці. Яку роль відіграють поверхневі явища у побудові і функціонуванні біологічних мембран?

7. Які речовини називають поверхнево-активними (ПАР)? Наведіть приклади застосування ПАР у побуті і техніці? Де застосовують ПАР у медицині?

Лабораторна робота № 13 визначення коефіцієнта внутрішнього тертя рідини методом стокса

Обладнання: прилад Стокса, кульки, мікрометр, масштабна лінійка, секундомір.

Теоретичні відомості

П рилад складається з вертикальної скляної трубки з дном, в яку налита досліджувана рідина (рис. 24). На трубі знаходяться дві позначки, які визначають відстань . Зверху у відкриту трубу встановлена лійка для спрямування руху кульки вздовж осі труби.

У потоках реальних рідин поблизу змочуваних твердих тіл, різні шари рідини мають неоднакову швидкість. Швидкість шару, який прилипає до твердого тіла, дорівнює нулю, а в міру віддалення від твердого тіла швидкість шарів рідини збільшується. Інакше кажучи, в таких потоках існує рух одного шару рідини відносно другого.

Між двома умовно виділеними шарами рідини з різними швидкостями виникає сила внутрішнього тертя. Вона є результатом сил молекулярного зчеплення на межі двох умовно виділених шарів і переходу молекул рідини з одного шару в інший внаслідок свого хаотичного руху, що призводить до переносу певної кількості руху (імпульсу).

Згідно з другим законом динаміки означений перенос визначається силою. Ньютон встановив, що сила внутрішнього тертя пропорціональна градієнту швидкості і площі шарів , між якими визначається тертя:

(13.1)

д

Рис.24

е – коефіцієнт внутрішнього тертя або в’язкості. Він залежить від вибраної рідини та її температури. Одиниця виміру коефіцієнта в‘язкості в СI – Н·с/м² або кг/(м с).

Методом Стокса коефіцієнт в’язкості визначають, спостерігаючи падіння маленької кульки у досліджуваній рідині.

Стокс встановив, що у в’язкому середовищі при малих швидкостях на кульку діє сила опору, пропорціональна коефіцієнту в’язкості, радіусу кульки і швидкості її руху:

. (13.2)

Окрім указаної сили, на кульку, густина якої , діє сила тяжіння

та сила Архімеда (з боку рідини густиною )

,

де  – об’єм кульки, .

На підставі другого закону Ньютона при усталеному (рівномірному) русі кульки маємо:

. (13.3)

Швидкість рівномірного руху кульки знаходимо за формулою:

, (13.4)

де - відстань, яку проходить кулька за час .

З рівняння (13.3) (з урахуванням формули (13.4) та виразу для ) отримуємо формулу для обчислення в’язкості рідини:

. (13.5)

Зазначимо, що остання формула справедлива для руху кульки в необмеженому середовищі. Тому в нашому випадку наявність стінок циліндричної ємності обумовлює певну похибку в отриманих значеннях .