Obiectiv: studierea fenomenului de frecare vâscoasă și una dintre metodele de determinare a vâscozității lichidelor.
Dispozitive și accesorii: bile de diferite diametre, micrometru, șubler, riglă.
Elemente ale teoriei și ale metodei experimentului
Toate lichidele și gazele reale sunt inerente la frecare internă, denumită și vâscozitate. Viscozitatea se manifestă, în special, prin faptul că mișcarea care a apărut în lichid sau gaz după încetarea cauzelor care au provocat-o încetinește treptat. Din experiența de zi cu zi, de exemplu, se știe că pentru a crea și menține un flux constant de lichid în conductă, este necesar să existe o diferență de presiune între capetele tubului. Deoarece în fluxul constant fluidul se deplasează fără accelerație, necesitatea acționării forțelor de presiune indică faptul că aceste forțe sunt contrabalansate de anumite forțe care inhibă mișcarea. Aceste forțe sunt forțele de frecare interioară.
Există două moduri principale de curgere a unui lichid sau a unui gaz:
Cu un regim de flux laminar, debitul unui lichid (gaz) poate fi descompus în straturi subțiri, fiecare dintre acestea se mișcă în fluxul general cu viteza sa și nu se amestecă cu alte straturi. Fluxul laminar este staționar.
În condiții turbulente, fluxul devine nestatornic - viteza particulelor în fiecare punct al spațiului se schimbă în mod aleatoriu. În flux, există o amestecare intensă a lichidului (gaz).
Să luăm în considerare regimul fluxului laminar. Selectăm în flux două straturi ale zonei S. situate la distanță # 8710; Z unul de celălalt și se deplasează cu diferite viteze V 1 și V 2 (Figura 1). Apoi între ele există o forță de frecare vâscoasă proporțională cu gradientul de viteză DV / DZ într-o direcție perpendiculară pe direcția de curgere:
Unde este raportul # 956; prin definiție, se numește viscozitatea sau coeficientul de frecare internă, DV = V 2-V 1.
Se vede din (1) că vâscozitatea este măsurată în pascal-secunde (Pa s).
Trebuie remarcat faptul că vâscozitatea depinde de natura și starea lichidului (gaz). În particular, valoarea vâscozității poate depinde în mod substanțial de temperatura, care se observă, de exemplu, în apă (a se vedea apendicele 2). Nu luând în considerare această dependență în practică într-un număr de cazuri poate duce la discrepanțe semnificative între calculele teoretice și datele experimentale.
În gaze, viscozitatea se datorează coliziunii moleculelor (vezi apendicele 1), în lichide - prin interacțiune intermoleculară, care limitează mobilitatea moleculelor.
Valorile de vâscozitate ale unor substanțe lichide și gazoase sunt prezentate în apendicele 2.
După cum sa menționat deja, fluxul de lichid sau gaz poate avea loc într-unul din cele două moduri - laminar sau turbulent. Fizicianul englez Osborne Reynolds a stabilit că natura fluxului este determinată de valoarea cantității fără dimensiuni
Unde este cantitatea numită vâscozitatea cinematică, V este viteza lichidului (sau a corpului din lichid), D este o mărime caracteristică. În cazul fluxului de fluid într-o țeavă, diametrul caracteristic al secțiunii transversale a acestei țevi (de exemplu, diametrul sau raza) este înțeles în țeavă. Atunci când corpul se mișcă într-un lichid sub D, înseamnă dimensiunea caracteristică a acestui corp, de exemplu, diametrul mingii. Pentru valorile lui Re<1000 течение считается ламинарным, при Re> 1000 debitul devine turbulent.
Una dintre metodele de măsurare a vâscozității substanțelor (viscometrie) este metoda balonului incident sau metoda Stokes. Stokes a arătat că o minge care se deplasează la o viteză V într-un mediu vâscos are o forță de frecare vâscoasă egală cu. unde D este diametrul mingii.
Luați în considerare mișcarea mingii când cade. Conform celei de-a doua legi a lui Newton (figura 2)
,
Unde F - forța de frecare vâscoasă, - puterea lui Arhimede, - forța gravitației, # 961; F ȘI # 961; - densitatea lichidului și respectiv a materialului bilelor. Soluția acestei ecuații diferențiale va fi următoarea dependență a vitezei mingii la timp:
Unde V 0 este viteza inițială a mingii și
Există o viteză de mișcare constantă (la T >> # 964;). Cantitatea este timpul de relaxare. Această valoare arată cât de repede este stabilit un mod staționar de mișcare. Se crede de obicei că la T ≈3 # 964; mișcarea nu este practic diferită de cea staționară. Astfel, prin măsurarea vitezei VY. puteți calcula vâscozitatea lichidului. Observăm că formula Stokes este aplicabilă pentru numerele Reynolds mai mici de 1000, adică pentru un flux laminar al unei mingi.
Aparatura de laborator pentru măsurarea vâscozității lichidelor prin metoda Stokes este un vas de sticlă umplut cu lichid de testare. Deasupra, de-a lungul axei cilindrului, aruncați bile. În partea superioară și inferioară a vasului există urme orizontale. Prin măsurarea timpului de mișcare a mingii între semne și cunoașterea distanței dintre acestea, cronometrul constă în viteza mișcării constante a mingii. Dacă cilindrul este îngust, atunci formula de calcul trebuie corectată pentru efectul pereților.
Având în vedere aceste corecții, formula pentru calcularea vâscozității va fi:
Unde L este distanța dintre semne, D este diametrul părții interioare a vasului.
Ordinea de executare a muncii
1. Măsurați diametrul interior al vasului cu ajutorul unui șurub, folosind o riglă - distanța dintre marcările orizontale de pe vas și cu ajutorul unui micrometru - diametrele tuturor bilelor utilizate în experiment. Accelerația gravitației este considerată egală cu 9,8 m / s2. Densitatea lichidului și densitatea substanței perle sunt indicate pe unitatea de laborator.
2. Omiteți alternativ bilele din lichid, măsurați timpul pe care fiecare dintre ele îl deplasează între semne. Rezultatele sunt introduse în tabel. Tabelul indică numărul experimentului, diametrul mingii și timpul de trecere a acestuia, precum și rezultatul calculului vâscozității pentru fiecare experiment.
3. Evaluați eroarea absolută a rezultatelor măsurătorilor și obțineți rezultatul final pentru valoare # 956;. Utilizați următoarele formule:
,
,
, , ,
Unde Ct. Cd. CL este prețul divizării instrumentului care a fost măsurat, K = 1,1, Tc∞ = 1,96 (pentru probabilitatea de încredere P = 0,95).
4. Determinați valoarea numărului Reynolds pentru unul dintre experimente și deduceți că se aplică formula Stokes.
5. Evaluați calea traversată de minge pentru a stabili un mod staționar de mișcare. Este evident că în timp T calea traversată este determinată de integrale
Arătați că pentru T = 3 # 964; calea S = 2V Y # 964; și estimați această valoare. Faceți concluzii cu privire la corectitudinea experienței.
Articole corelate
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: