Теория метода

Если жидкость медленно вытекает из нижнего конца узкой вертикальной трубки (рис.4), то образуется капля, которая, достигая определенного (предельного) веса, падает.

В этот момент вес капли P уравновешивается силой поверхностного натяжения

,

,

где r – радиус шейки капли в ее наиболее узкой части, где происходит разрыв,

m – масса капли.

P=F,

откуда: .

рис.4

Массу одной капли можно выразить через объем V вытекшей жидкости:

,

где ρ – плотность вытекшей жидкости,

n – количество капель.

Откуда

.

Величина – постоянная для данного сталагмометра величина. Обозначив ее черезK, получим:

. (1)

Подсчитав число капель чистой воды и число капель исследуемой жидкостиn, вытекающих из сталагмометра, получим α – коэффициент поверхностного натяжения для этой жидкости.

Действительно,

,

где – коэффициент поверхностного натяжения чистой воды,

–плотность воды.

,

Откуда

(2)

Порядок выполнения работы

1. Налить в сталагмометр чистой воды и сосчитать количество капель, полученное при вытекании объема жидкости.

2. Заменить воду исследуемой жидкостью и вновь сосчитать количество капель n, полученное при вытекании того же объема жидкости.

3. Вычислить по формуле (2) коэффициент поверхностного натяжения данной жидкости. Значения ,и ρ указаны в работе.

4. Опыт повторить 10 раз. Найти среднее значение α.

5. Вычислить погрешность косвенных измерений (стр.103–105).

6. Сделать соответствующий вывод.

Контрольные вопросы

1. Опишите характер теплового движения молекул жидкости.

2. Объясните, что значит “ближний порядок”?

3. Почему при отсутствии внешних сил капля жидкости принимает форму шара?

4. На что затрачивается работа при увеличении поверхности жидкости?

5. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? В каких единицах он измеряется?

6. Почему в данной работе принимается сравнительный метод определения α?

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1. Механика. Молекулярная физика: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико–математической литературы, 1982. – 432с.

3. Кортнев А.В. Практикум по физике. /Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Кузнецов А.М.: – М: Высшая школа, 1963. – 516с.

4. Конспект лекций.

Лабораторная работа № 12

Определение вязкости жидкости методом Стокса

Цель работы:1.Изучение теории вязкости жидкостей.

2.Освоение методики определения вязкости жидкостей методом Стокса.

3.Проведение УИРС.

4.Вычислить погрешность измерения.

Приборы и принадлежности: Прибор Стокса, стальные, свинцовые шарики, микрометр, масштабная линейка, секундомер, вискозиметр ВЗ-1.

Краткая теория вязкости

Вязкость – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой.

Предположим, что жидкость находится между двумя плоскими горизонтальными пластинами. Пусть верхняя пластина движется вправо с постоянной скоростью V относительно нижней пластины. Тогда в жидкости будет существовать слой, примыкающий к нижней пластине, который будет неподвижен, и слой, примыкающий к верхней пластине, который будет двигаться со скоростью пластины V. Каждый слой воды будет действовать на прилегающие к нему слои, так, что в жидкости установится непрерывное изменение скорости от дна до поверхности как показано на рис.1.

В жидкости любое касательное усилие может вызвать бесконечную сдвиговую деформацию, так как жидкость не обладает способностью к упругому сопротивлению, которое могло бы уравновесить сдвиговое усилие. Скорость изменения сдвиговой деформации в жидкости равна .

рис.1

Предел отношения этих величин называется градиентом скорости

Если скорость слоя прямо пропорциональна координате, то , т.е. градиент скорости равен падению скорости на единицу длины в направлении перпендикулярном течению жидкости.

При ламинарном течении (т.е. без завихрений) сила внутреннего трения пропорциональна градиенту скорости.

или

где F – абсолютное значение силы внутреннего трения;

S – площадь поверхности скользящих друг по другу слоев;

–касательное напряжение;

–градиент скорости – физическая величина, показывающая как быстро, меняется скорость при переходе от слоя к слою в направлении перпендикулярном направлению движения слоев жидкости;

η – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости, называемый коэффициентом внутреннего трения или динамической вязкостью.

Вязкостью, таким образом, мера внутреннего трения в жидкости.

η – это вязкость вещества, в котором при градиенте скорости в 1м/с на 1м касательное напряжение равно 1

Эта единица не является общепринятой. Часто используется единица гауссовой системы (СГС) – пуаз:

Используется также сантипуаз

Приведенное (ньютоновское) соотношение вязкости не зависит от скорости течения жидкости. Не все жидкости так просты. Вязкость суспензий часто зависит от скорости их течения.

Движение жидкостей часто характеризуется кинематической вязкостью, равной динамической вязкости деленной на плотность.

В системе СГС коэффициент кинематической вязкости измеряется в стоксах

Совокупность методов определения вязкости называют вискозиметрией, а приборы для определения вязкости – вискозиметрами.

Вязкость многих жидкостей и газов значительно зависит от температуры: с ростом температуры вязкость жидкости уменьшается, а газа увеличивается.

Объяснение этому даст молекулярно кинетическая теория.

Вязкость – это свойство, обусловленное молекулярной структурой среды и силами межмолекулярного взаимодействия

Вследствие того, что молекулярная структура жидкостей и газов различна, различна и природа их вязкости.

Вязкость жидкостей есть проявление сил сцепления между молекулами. При увеличении температуры средние расстояния между молекулами жидкости увеличиваются, и силы сцепления между ними ослабевают. Поэтому вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается. Это значительно влияет на работу механизмов и машин: при низких температурах затрудняет работу, а при высоких температурах мало защищает от перегрева. В связи с этим технические масла выпускаются с различными компонентами так, чтобы при низкой температуре присадки уменьшали вязкость, а при высокой увеличивали.

В газе силы сцепления между молекулами ничтожно малы. Однако между слоями газа при его течении существует взаимодействие, обусловленное хаотическим тепловым движением молекул. Перескакивая из слоя в слой, молекулы, имеющие различные скорости, в результате столкновений обмениваются количеством движения. Этот перенос молекулами количества движения из одного слоя газа в другой в механическом отношении эквивалентен действию сил, касательным к слоям (силы вязкости). С увеличением температуры газа хаотическое движение его молекул становится более интенсивным. При этом увеличивается число молекул, переходящих из слоя в слой, а, следовательно, и переносимое ими количество движения. Поэтому в газах с увеличением температуры вязкость увеличивается.