физика лабараторные / l_r_13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Филиал «Тобольский индустриальный институт»

Кафедра электроэнергетики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы №13

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА»

по дисциплине: «Физика»

Тобольск 2008 г.

ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

1. Внимательно изучайте теоретическую часть работы.

2. Приступайте к выполнению работы только после сдачи допуска на проведение лабораторного практикума преподавателю или лаборанту.

3. В случае возникновения неисправности оборудования во время выполнения лабораторной работы немедленно отключить электропитание (отключить питание прибора кнопкой или тумблером «Сеть», либо выдернуть вилку из розетки) или выключить общий выключатель – автомат, о случившемся доложить лаборанту и преподавателю.

4. В случае возникновения вопросов по данной работе обращаться к лаборанту или преподавателю. Строго соблюдать общие инструкции по технике безопасности в лаборатории «Механика и молекулярная физика».

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определить коэффициент вязкости жидкости.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: стеклянный сосуд с исследуемой жидкостью, секундомер, металлические шарики, микрометр, штангенциркуль.

МЕТОДИКА РАБОТЫ И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Вязкость (внутреннее трение) жидкости или газа относится к явлениям переноса.

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

Проявляется вязкость в том, что при ламинарном течении, т. е. течении без завихрений между слоями жидкости, движущимися с различными скоростями и (рис.1), возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности соприкосновения слоев. Модуль силы внутреннего трения определяется по формуле Ньютона:

(1)

Рис. 1

где – градиент скорости направленного движения слоев жидкости вдоль оси – это величина численно равная изменению скорости при перемещении на единицу длины в направлении, перпендикулярном скорости, – площадь соприкосновения слоев, - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутреннего трения или динамической вязкостью.

Из формулы (1) видно, что коэффициент внутреннего трения численно равен силе внутреннего трения, действующей на единицу площади поверхности слоя при градиенте скорости, равном единице. Единицей вязкости в системе СИ служит такая вязкость, при которой градиент скорости с модулем равным 1 м/с на 1м, приводит к возникновению силы внутреннего трения 1Н на 1м площади поверхности касания слоев. Эта единица называется паскаль-секундой (Па∙с).

Коэффициент вязкости для жидкостей зависит от химического состава жидкости и ее физического состояния (например, температуры).

В данной работе коэффициент вязкости определяется по методу Стокса. Метод Стокса основан на измерении скорости падения шарика малого радиуса в жидкости, для чего используется стеклянный цилиндрический сосуд, наполненный исследуемой жидкостью (рис. 2).

На шарик, свободно падающий в покоящейся жидкости, действуют три силы: сила тяжести , выталкивающая сила, и сила сопротивления среды.

Сила тяжести определяется по формуле:

(2)

Рис. 2

где – радиус шарика, – плотность материала шарика, – ускорение свободного падения.

Выталкивающая сила по закону Архимеда равна весу вытесненной шариком жидкости

(3)

где – плотность жидкости, в которой падает шарик.

Сила сопротивления движению шарика безграничной жидкости определяется по формуле Стокса:

(4)

где – скорость движения шарика.

Сила сопротивления направлена в сторону, противоположную скорости, она обусловлена внутренним трением слоев (где при падении шарика слой жидкости, непосредственно прилегающей к его поверхности, движется вместе с шариком, и между слоями жидкости возникают силы внутреннего трения). Движение шарика в жидкости описывается основным уравнением динамики

или в проекции на направление движения шарика.

После того как шарик опущен в жидкость с нулевой начальной скоростью, скорость его движения начинает возрастать, т.к. в этом случае , а . При увеличении скорости возрастает и сила сопротивления (4). Поэтому наступает момент, когда сила тяжести уравновешивается суммой сил Архимеда и Стокса , и равнодействующая всех сил, действующих на шарик, становится равной нулю:

(5)

С этого момента движение шарика становится равномерным со скоростью .

Подставляя в уравнение (5) соответствующие значения для сил , и из формул (2), (3) и (4), получим для коэффициента вязкости выражение:

(6)

Это уравнение справедливо лишь тогда, когда шарик падает в безграничной среде. Если шарик падает вдоль оси цилиндрического сосуда с внутренним диаметром , то учет наличия стенок приводит к следующему выражению для коэффициента вязкости:

(7)

В этой формуле радиус шарика заменён на его диаметр . Таким образом, для определения коэффициента вязкости исследуемой жидкости необходимо измерить диаметр шарика , внутренний диаметр цилиндра и вычислить скорость равномерного движения шарика .

Для определения скорости на боковой поверхности цилиндрического сосуда с исследуемой жидкостью имеются две метки: и (рис. 2). Расстояние между которыми . Метка находится в том месте, где шарик движется уже равномерно со скоростью . Измерив время движения шарика между метками и расстояние между ними, скорость движения шарика можно вычислить по формуле:

(8)

Подставив выражение (8) в формулу для коэффициента вязкости (7), получаем окончательно

(9)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Записать в табл. 1 значения плотности материала шарика , плотности жидкости внутреннего диаметра цилиндра (эти значения указаны на приборе).

2. С помощью линейки измерить расстояние между метками. Значения занести в табл. 2.

3. Измерить микрометром диаметр шарика и записать его в значения табл. 2.

4. Измерить время движения шарика между метками. Для этого осторожно опустить шарик на поверхность жидкости как можно ближе к оси цилиндра, включить секундомер в момент прохождения шариком метки а и выключить его в момент прохождения шариком метки в (глаз наблюдателя на уровне метки в). Значение времени занести в табл. 2.

5. Измерения, указанные в п.п. 3 и 4 повторить еще с четырьмя шариками. Результаты измерений занести в табл. 2.

6.По результатам измерений для каждого опыта вычислить по формуле (9) значения коэффициента вязкости и занести в табл. 2.

7.Вычислить среднее значение коэффициента вязкости исследуемой жидкости .

8.Рассчитать погрешность для , используя метод нахождения погрешностей, при косвенных измерениях, когда контролируемые условия невоспроизводимы.

9.Записать окончательный результат. Указать температуру, при которой производились опыты.

10.Сравнить полученное значение вязкости с табличным при соответствующей опыту температуре.

Таблица 1.

№
Единицы измерений	кг/м^3	кг/м^3	м
	11300	1260	57·10^-3

^{Таблица 2.}

^№	^d	^t			^<>
^Ед.изм.	^м	^с	^м	^Па·с	^Па·с	^Па·с	^%
^1			^0,45
^2
^3
^4
^5

^{КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ}

1. Какие явления относятся к явлениям переноса? В чем они заключаются?

2. В чем проявляется вязкость жидкость?

3. От чего зависит сила внутреннего трения? Что такое градиент скорости?

4. Каков физический смысл коэффициента вязкости жидкости? В каких единицах он измеряется?

5. Как зависит от температуры коэффициент вязкости жидкости?

6. Выведите формулу Ньютона?

7. Выведите расчетную формулу для определения коэффициента вязкости жидкости по методу Стокса.

ОБЩИЙ ВИД УСТАНОВКИ

Рис. 3

7